WO2000022447A1

WO2000022447A1 - Capteur magnetique, amperemetre et element de capteur magnetique

Info

Publication number: WO2000022447A1
Application number: PCT/JP1999/003586
Authority: WO
Inventors: Shiro Nakagawa; Katsuaki Tanaka; Katsumi Yabusaki; Yoshihisa Okita
Original assignee: Tdk Corporation
Priority date: 1998-10-14
Filing date: 1999-07-02
Publication date: 2000-04-20
Also published as: EP1039307A1; CN1145806C; CN1272920A; TW434411B; JP3212984B2; US6323634B1

Description

明細書磁気センサ装置、電流センサ装置および磁気センサ素子技術分野

本発明は、磁界を測定する磁気センサ装置、電流によって発生する磁界を測定することで電流を測定する電流センサ装置および磁界を測定するための磁気センサ素子に関する。背景技術

磁気センサ装置およびそれを利用した非接触型の電流センサ装置は、産業上有用なため古くから多くの方式のものが開発されている。しかし、その利用分野は特殊であり、これまであまり大きな巿場ではなかった。従って、コスト面での開発は十分になされていないのが現状である。

ところが、最近、環境問題に端を発した廃ガス規制により、電気自動車や太陽光発電の開発が盛んに行われている。電気自動車や太陽光発電では、数 k W〜数 1 0 k Wの直流電力を扱うため、数 1 0〜数 1 0 0アンペアの直流電流を測定する非接触型の電流センサ装置が不可欠となっている。このような電流センサ装置は需要量が膨大なため、特性もさることながら、極めて安価でなくては、電気自動車や太陽光発電そのものの普及を妨げることになる。また、電気自動車のような過酷な環境で使用される電流センサ装置では、 1 0年以上の長期にわたる信頼性が求められる。このように、電流センサ装置には、特性が良く、安価で、長期にわたつて信頼性が高いことが、社会的に要請されている。

電流を非接触で測定する場合、交流成分は卜ランスの原理で簡単に測定することができる。しかし、直流成分は、この方法では、測定できないので、電流の発生する磁界を磁気センサ装置で測定する方法が採られる。このような電流センサ装置は、通常、被測定電流と鎖交する磁気ヨークに空隙を設け、その空隙に磁気センサ装置の磁気センサ素子を設置した構成となっている。このような電流センサ装置に用いられる磁気センサ素子としては、ホール素子が多く用いられ、磁気抵抗効果（M R ) 素子やフラックスゲート素子の利用例もある。

上述の電気自動車や太陽光発電のような用途の場合、被測定電流は 1 0〜 5 0 0アンペアである。そのため、磁気センサ素子としては、主として高磁界測定に適したホール素子や G M R (巨大磁気抵抗効果）素子が用いられている。

ホール素子や G M R素子を用いる場合に限らず、一般に、電流センサ装置では、従来より、リニアリティや出力の温度依存性の改善のために、例えば日本特開昭 6 2 - 2 2 0 8 8号公報に示されるように、磁気センサ装置の出力に基づいて、被測定電流の作る被測定磁界とは逆方向の磁界を発生させ、磁気センサ装置が、磁気ヨーク中の磁界がほぼゼロの状態、すなわち、磁気センサ装置に印加される磁界がゼロの近傍の状態の下で動作するように、磁気センサ装置の出力を負帰還する技術が知られている。以下、この技術を、負帰還法と呼ぶ。

また、電流センサ装置では、例えば日本特公昭 6 3— 5 7 7 4 1号公報に示されるように、被測定電流の作る被測定磁界に一定の交流磁界を重畳し、その交流磁界に対応した磁気センサ装置の出力が常に一定になるように制御して、測定精度を向上させる技術も知られている。以下、この技術を、交流重畳法と呼ぶ。ところで、磁気センサ素子には、ホール素子、 M R素子、 G M R素子、フラックスゲート素子等、種々の素子がある。これらの素子には、それぞれ適した磁界測定範囲がある。そのため、従来は、被測定磁界の大きさに応じて、磁気センサ素子を選択する必要があった。しかしながら、各素子は、それぞれ、出力の大きさ、リニアリティ、温度依存性等の特性が異なるため、磁界測定範囲の点で被測定磁界の大きさに適した磁気センサ素子を選択しても、必ずしも、必要とする精度を満足するとは限らないという問題点があった。また、被測定磁界の大きさに適した磁界測定範囲を持つ磁気センサ素子が存在しない場合もあるという問題点があった。

前述のように、リニアリティや出力の温度依存性の改善のためには、負帰還法を採用することが考えられる。ところが、負帰還法では、被測定電流の作る被測定磁界と同じ大きさの逆方向の負帰還磁界を発生させなければならない。例えば、 1 0 0アンペアの電流を測定する場合には、負帰還磁界の発生用のコイルの巻数を 1 0 0ターンとしても 1アンペアの帰還電流が必要となる。そのため、負帰還法では、コイルの大型化、電力損失、発熱等の副次的な問題が発生すると共に、従来、この問題の解決が困難であった。

更に、負帰還法では、磁気センサ素子が常に磁界がゼロの近傍の状態の下で動作するため、磁気センサ素子として、出力の小さいホール素子を用いると、素子自体や直流増幅回路のドリフトの影響を強く受け、精度が劣化するという問題が生じる。

G M R素子では、出力は大きいが、磁気抵抗効果が磁界の方向に依存しないため、被測定磁界の方向（電流センサ装置の場合には被測定電流の方向）を判別できないという問題点がある。そのため、従来、 G M R素子を用いて磁界を測定する場合には、被測定磁界の変化に対して磁気センサ装置の出力が単調に変化するように、バイアス磁界を印加するようにしていた。しかし、この場合、被測定磁界がバイアス磁界と逆方向で、且つ被測定磁界の絶対値がバイアス磁界の絶対値を超えると、被測定磁界の変化に対する磁気センサ装置の出力の単調性を保てなくなるので、負帰還法を採用すると、負帰還系が暴走するおそれがある。

交流重畳法も、精度を向上させる技術である。しかしながら、交流重畳法は、磁気センサ装置のリニアリティが確保されていることが前提となる技術である。そのため、交流重畳法だけでは、リニアりティの改善には役立たない。

このように、従来の磁気センサ装置や電流センサ装置では、任意の大きさの磁界ゃ電流、特に大きな磁界や電流を、精度よく測定することが困難であった。また、従来技術で最も開発が進んでいるホール素子を用いた電流センサ装置では、例えば、以下のような問題点があった。

( 1 ) 感度が低いこと。

( 2 ) 感度ばらつきが大きいこと。

( 3 ) 温度特性が悪いこと。

( 4 ) オフセット電圧の処理が厄介なこと。

磁気抵抗効果素子では、上記問題点に加え、リニアリティが悪いという問題点がある。

ホール素子の問題点に関しては、いくつかの解決手段が開発されてはきた。それら手段の一つとして、例えば、前述の負帰還法がある。この負帰還法では、素子出力に比例した磁界を反転して磁気センサ素子に加え、素子出力が常に一定になるように負帰還をかけることにより、感度ばらつき、温度特性、リニアリティを改善する。

しかしながら、負帰還法を用いる場合には、被検出磁界と同じ大きさで逆方向の負帰還磁界を磁気センサ素子に加える必要がある。そのため、電気自動車や太陽光発電の用途のように、数 1 0 0アンペアもの電流を検出する場合には、負帰還磁界発生コイルの巻数を 1 0 0ターンとしても帰還電流は数アンペアとなる。従って、実際にこの方法で電流センサ装置を構成したとすると、きわめて大型で高価なものとなってしまう。

磁気センサ素子が高感度であれば被検出磁界の一部だけ（例えば 1 Z 1 0 0 ) を素子に加え、帰還電流を減少させることも考えられるが、磁気センサ素子としてのホール素子は、感度が低いため、これは困難である。

フラックスゲート素子は、主に微小磁界検出用に開発されており、大電流検出のための技術開発があまりなされていない。しかし、フラックスゲート素子は簡単な構成で高感度であるという特徴があり、工夫次第では大電流用電流センサ装置の磁気検出部として有効である。

ここで、第 1 3図を用いて、最も簡単なフラックスゲート素子の動作原理を説明する。第 1 3図は、磁芯に巻かれたコイルのインダク夕ンスとコイル電流との関係を示す特性図である。磁芯は磁気飽和特性を有するため、コイル電流が増大すると、磁芯の実効透磁率が低下し、コイルのインダク夕ンスは減少する。従つて、マグネット等で磁芯にバイアス磁界 Bをかけておけば、外部磁界 H„ がバイァス磁界に重畳された場合、外部磁界 H。の大きさは、コイルのインダク夕ンスの変化として測定することができる。これが最も簡単なフラックスゲ一ト素子の動作原理である。なお、第 1 3図では、バイアス磁界 Bおよび外部磁界 H„ は、共に、コイル電流に換算した大きさで表している。

しかし、この方法ではマグネットの発生する磁界の強さや、マグネットと磁芯との位置関係等でバイアス点 Bの位置が変わるため、外部磁界がゼロのときのィンダクタンス値を一定値に調整しておく必要がある。ところが、この値の温度変化や他の外乱に対しての不安定性の補償は極めて困難である。そのため、上記の方法は、実用には適していない。

ところで、棒状磁芯では開磁路となるためヒステリシスの影響は通常かなり小さい。そこで、磁芯のヒステリシスを無視すれば、磁芯の飽和特性はコイル電流の向きによらないので、コイル電流を正の向きにしたときと、負の向きにしたときとのインダク夕ンスの変化特性は同一である。例えば、第 1 3図における P +点と P—点は、互いに絶対値の等しい正の向きのコイル電流と負の向きのコイル電流を表すものとする。これらの点の近傍において、コイル電流の絶対値の変化に対するインダクタンスの変化特性は同一である。従って、コイルに、ピーク時には磁芯が飽和領域に入るような交流電流を印加し、電流の正負の各ピーク値でのインダク夕ンスの減少分の差を測定すれば、外部磁界がゼロのときには、この差は常にゼロである。そして、これは、温度変化や外乱によって磁芯の特性が変化しても変わらない。なお、本出願において、磁芯の飽和領域とは、磁界の絶対値が、磁芯の透磁率が最大透磁率となるときの磁界の絶対値よりも大きい領域を言

Ό。

一方、磁芯に外部磁界が印加された場合、例えば、第 1 3図に示したように、外部磁界 H。が電流の正の向きに印加されたとすると、電流の正のピーク（例えば第 1 3図における Q +点）ではインダク夕ンス値は減少し、負のピーク（例えば第 1 3図における点）ではインダクタンス値は増加するから、その差がゼ口以外の値を持つ。このインダケタンス値の差は外部磁界に依存するので、このインダクタンス値の差を測定することによって、外部磁界を測定することができる。

このように、コイルに、ピーク時には磁芯が飽和領域に入るような交流電流を印加し、電流の正負の各ピーク値でのィンダクタンスの減少分の差を測定する方法を、本出願において、大振幅励振法と言う。

このような大振幅励振法を用いた磁気センサ装置は、例えば、日本特公昭 6 2 一 5 5 1 1 1号公報や、日本特公昭 6 3— 5 2 7 1 2号公報、日本特開平 9 一 6 1 5 0 6号公報に示されている。また、日本実公平 7— 2 3 7 5 1号公報には、 2つのバイアス用マグネットを用いることにより、大振幅励振法と同様の測定を可能にした技術が示されている。大振幅励振法は、温度変化や外乱の影響を除去できるので、非常に優れたものである。しかし、磁芯を飽和させるに足る交流電流をコイルに与えることはそれほど簡単ではない。そのため、従来は、飽和磁界の小さなアモルファス磁芯等を用いた小磁界検出用の磁気センサ装置に用途が限られていた。

ところで、直流電流を非接触で検出するには、一般に、電流の作る磁界を磁気センサ素子で検出する方法が採られる。この方法では、例えば、電流経路の周りに、空隙をもつ磁気ヨークを設け、空隙中に磁気センサ素子を設置し、この磁気センサ素子によって空隙での磁界を測定する。電流値を I 、空隙の長さを gとすると、空隙中での磁界の強さ Hは、 H = l Z gである。

ここで、電流センサ装置において、磁気センサ素子として、一つの磁芯に巻回された一つのコイルからなるフラックスゲート素子を用い、負帰還法を採用する場合について考える。なお、日本特開昭 6 0 - 1 8 5 1 7 9号公報、日本特開平 9 - 2 5 7 8 3 5号公報には、フラックスゲート素子を用いた磁気センサ装置において負帰還法を採用した例が記載されている。

電流センサ装置において、フラックスゲート素子を用い、負帰還法を採用した場合には、コイルには被測定電流による磁界が印加されるが、負帰還電流によつてコイルが発生する磁界は、印加磁界をちようどキャンセルする。従って、測定電流範囲を大きくするためには、負帰還電流を大きくするか、磁気ヨークの空隙の長さ gを大きくして印加磁界を小さくする必要がある。

しかし、空隙 gを大きくすることは、大きな磁気ヨークが必要となり、不経済であるという問題点がある。また、負帰還電流を大きくすることは、消費電力が大きくなり、コイルの発熱等、好ましくない現象を誘発するという問題点がある。また、磁気センサ素子に対する印加磁界を被測定磁界よりも小さくするために、磁束を分流させて、一部の磁束のみが磁気センサ素子を通過するようにする方法も考えられるが、この方法では、分流比の正確な確定が困難であるという問題点がある。

以上述べたように、従来は、磁気センサ装置または電流センサ装置において、測定範囲を広げ、大きな磁界または電流を測定できるようにしょうとすると、磁気ヨークの空隙を広げたり、負帰還電流を大きくしたりする必要が生じ、上述のように、いずれの場合も問題点があり、実現が容易ではなかった。発明の開示

本発明の第 1の目的は、任意の大きさの磁界または電流を精度よく測定することができるようにした磁気センサ装置および電流センサ装置を提供することにある。

本発明の第 2の目的は、容易に磁界または電流の測定範囲を広げることができるようにした磁気センサ装置、電流センサ装置および磁気センサ素子を提供することにある。

本発明の第 3の目的は、容易に大きな磁界または電流を測定できるようにした磁気センサ装置、電流センサ装置および磁気センサ素子を提供することにある。本発明の第 1の磁気センサ装置または電流センサ装置は、

被測定磁界に対応して印加される磁界に応じた信号を出力する磁気検出部と、前記磁気検出部の出力を前記磁気検出部に負帰還するための負帰還磁界を発生する負帰還手段と、

前記磁気検出部の周囲に設けられ、あるいは磁気検出部の一部をなし、前記被測定磁界に対する反磁界係数と前記負帰還磁界に対する反磁界係数とを異ならせる磁性体と

を備えている。

本発明の第 1の磁気センサ装置または電流センサ装置では、磁気検出部の周囲に設けられた、あるいは磁気検出部の一部をなす磁性体によって、被測定磁界に対する反磁界係数と負帰還磁界に対する反磁界係数とが異なるものとされる。これにより、負帰還磁界の大きさを被測定磁界の大きさとは異ならせることが可能になる。

本発明の第 1の磁気センサ装置または電流センサ装置において、磁性体は、磁気検出部を収納する空洞を有し、磁気検出部の周囲に設けられ、磁気検出部は、磁性体の空洞内に収納されていてもよい。

また、本発明の第 1の磁気センサ装置または電流センサ装置において、磁気検出部は、磁芯と、磁芯に巻回された、被測定磁界を検出するためのコイルとを有し、磁性体は、磁気検出部の一部をなす磁芯であってもよい。なお、本出願において、磁芯とは、磁気飽和特性を有する磁性体からなり、コイルが巻回される芯を言う。

本発明の第 2の磁気センサ装置または電流センサ装置は、

被測定磁界に対応して印加される磁界に応じた信号を出力する磁気検出部と、前記磁気検出部を収納する空洞を有する磁性体と

を備え、

前記磁気検出部は、前記磁性体の前記空洞内に収納され、

前記磁性体の形状に依存する第 1の反磁界係数と前記空洞の形状に依存する第 2の反磁界係数との少なくとも一方に基づいて、前記被測定磁界と前記磁気検出部に印加される磁界との比が所定の値に設定されているものである。

本発明の第 2の磁気センサ装置または電流センサ装置では、磁性体の形状に依存する第 1の反磁界係数と空洞の形状に依存する第 2の反磁界係数との少なくとも一方に基づいて、被測定磁界と磁気検出部に印加される磁界との比が所定の値に設定される。これにより、磁気検出部に印加される磁界を、磁気検出部の磁界測定範囲に適した値にすることが可能となる。

本発明の第 2の磁気センサ装置または電流センサ装置において、空洞は、被測定磁界による磁束の通過方向と交差する方向に向けて開口する開口部を有していてもよい。

また、本発明の第 2の磁気センサ装置または電流センサ装置において、磁気検出部は、検出感度に関して高感度方向を有し、高感度方向と被測定磁界による磁束の通過方向とがー致するように空洞内に配置されていてもよい。

また、本発明の第 2の磁気センサ装置または電流センサ装置は、更に、磁気検出部に対して、磁気検出部の出力を負帰還するための負帰還磁界を印加する負帰還磁界印加手段を備えていてもよい。この場合、被測定磁界に対する磁性体の反磁界係数と負帰還磁界に対する磁性体の反磁界係数とが異なるように、負帰還磁界印加手段は空洞内に設けられていてもよい。

また、本発明の第 2の磁気センサ装置または電流センサ装置は、更に、磁気検出部に、被測定磁界に対する磁気検出部の特性を制御するために用いられる基準交流磁界を印加する基準磁界印加手段を備えていてもよい。この場合、基準磁界印加手段は、磁性体の外部に設けられていてもよい。

本発明の第 3の磁気センサ装置または電流センサ装置は、

磁芯と、前記磁芯に巻回された、印加される被測定磁界を検出するためのコィルとを有するフラックスゲート磁気センサ素子と、

前記コイルのインダクタンスの変化を検出することにより、被測定磁界を検出する検出手段と

を備え、

前記磁芯は、前記被測定磁界に対する反磁界係数と前記コイルが発生する磁界に対する反磁界係数とが異なるような形状を有するものである。

本発明の第 3の磁気センサ装置または電流センサ装置では、被測定磁界に対する磁芯の反磁界係数とコイルが発生する磁界に対する磁芯の反磁界係数とが異なることから、コイルに負帰還電流を供給する場合に、 2つの反磁界係数が等しい場合と比較して、負帰還電流を変えることが可能となる。

本発明の第 3の磁気センサ装置または電流センサ装置において、磁芯は、被測定磁界に対する反磁界係数が、コイルが発生する磁界に対する反磁界係数よりも大きくなるような形状を有していてもよい。

また、本発明の第 3の磁気センサ装置または電流センサ装置において、磁芯は、被測定磁界とコイルが発生する磁界のいずれに関しても開磁路を形成する形状を有していてもよい。

また、本発明の第 3の磁気センサ装置または電流センサ装置において、磁芯は、被測定磁界に関しては開磁路を形成し、コイルが発生する磁界に関しては閉磁路を形成する形状を有していてもよい。

また、本発明の第 3の磁気センサ装置または電流センサ装置は、更に、コイルに、検出手段の出力を負帰還するための負帰還電流を供給することによって、コィルより、検出手段の出力を負帰還するための負帰還磁界を発生させる負帰還手段を備えていてもよい。

本発明のフラックスゲ一ト磁気センサ素子は、

磁芯と、前記磁芯に巻回された、印加される被測定磁界を検出するためのコィルとを備え、

本発明の磁気センサ素子では、被測定磁界に対する磁芯の反磁界係数とコイルが発生する磁界に対する磁芯の反磁界係数とが異なることから、コイルに負帰還電流を供給する場合に、 2つの反磁界係数が等しい場合と比較して、負帰還電流を変えることが可能となる。

本発明の磁気センサ素子において、磁芯は、被測定磁界に対する反磁界係数が、コイルが発生する磁界に対する反磁界係数よりも大きくなるような形状を有していてもよい。

また、本発明の磁気センサ素子において、磁芯は、被測定磁界とコイルが発生する磁界のいずれに関しても開磁路を形成する形状を有していてもよい。

また、本発明の磁気センサ素子において、磁芯は、被測定磁界に関しては開磁路を形成し、コイルが発生する磁界に関しては閉磁路を形成する形状を有していてもよい。

本発明のその他の目的、特徴および利益は、以下の説明を以つて十分明白になるであろう。図面の簡単な説明

第 1図は、本発明の第 1の実施の形態に係る磁気センサ装置の構成を示す説明図である。

第 2図は、第 1図における磁性体に空洞を形成する方法の一例を示す斜視図である。

第 3図は、第 1図における磁性体に空洞を形成する方法の他の例を示す斜視図である。

第 4図は、本発明の第 2の実施の形態に係る磁気センサ装置の構成を示す断面図である。

第 5図は、本発明の第 3の実施の形態に係る磁気センサ装置の構成の一例を示す断面図である。第 6図は、本発明の第 3の実施の形態に係る磁気センサ装置の構成の他の例を示す断面図である。

第 7図は、本発明の第 4の実施の形態に係る磁気センサ装置の構成を示す断面図である。

第 8図は、本発明の第 5の実施の形態に係る磁気センサ装置の構成を示す断面図である。

第 9図は、本発明の第 6の実施の形態に係る磁気センサ素子の構成を示す断面図である。

第 1 0図は、本発明の第 7の実施の形態に係る磁気センサ素子の構成を示す断面図である。

第 1 1図は、本発明の第 8の実施の形態に係る電流センサ装置の構成を示す回路図である。

第 1 2図は、本発明の第 8の実施の形態に係る電流センサ装置の特性の一例を示す特性図である。

第 1 3図は、フラックスゲート素子の動作原理を説明するための説明図である。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

[第 1の実施の形態]

本実施の形態に係る磁気センサ装置は、磁界に応じた信号を出力する磁気検出部 1 0 1 と、この磁気検出部 1 0 1が収納される空洞 1 1 1を有する磁性体 1 1 0とを備え、磁性体 1 1 0の空洞 1 1 1内に磁気検出部 1 0 1が収納され、磁性体 1 1 0の形状に依存する第 1の反磁界係数と空洞 1 1 1の形状に依存する第 2 の反磁界係数の少なくとも一方に基づいて、被測定磁界 Hと磁気検出部 1 0 1に印加される磁界との比が所定の値に設定されているものである。

空洞 1 1 1は、被測定磁界 Hによる磁束の通過方向と交差する方向、例えば直交する方向に向けて開口する開口部を有していてもよい。この場合、必要ならば、開口部を、磁性体 1 1 0とは別の磁性体によって閉塞してもよい。

また、磁気検出部 1 0 1 としては、検出感度に関して、印加磁界に対する角度依存性を有し、高感度方向を有するものを用いてもよい。この場合には、高感度方向と被測定磁界 Hによる磁束の通過方向とがー致するように、磁気検出部 1 0 1を空洞 1 1 1内に配置するのが好ましい。

また、磁気センサ装置は、更に、磁気検出部 1 0 1に対して、磁気検出部 1 0 1の出力を負帰還するための負帰還磁界を印加する負帰還磁界印加手段（負帰還手段）としての帰還コイル 1 1 2を備えている。この帰還コイル 1 1 2は、例えば、空洞 1 1 1内に設けられ、磁気検出部 1 0 1の周囲に巻回されている。帰還コイル 1 1 2を空洞 1 1 1内に設けた場合には、被測定磁界に対する磁性体 1 1 0の反磁界係数と負帰還磁界に対する磁性体 1 1 0の反磁界係数とが異なるようになる。なお、帰還コイル 1 1 2は、磁気検出部 1 0 1に対して負帰還磁界を印加できるならば、磁気検出部 1 0 1に直接巻回しなくてもよい。更に、負帰還磁界印加手段は、磁気検出部 1 0 1に対して負帰還磁界を印加できるならば、帰還コイル 1 1 2のようなコイル形状でなくてもよい。

また、磁気センサ装置は、更に、磁気検出部 1 0 1に対して、被測定磁界 Hに对する磁気検出部 1 0 1の特性を制御するために用いられる基準交流磁界を印加するための基準磁界印加手段としての基準磁界用コイル 1 1 3を備えている。この基準磁界用コイル 1 1 3は、例えば、磁性体 1 1 0の外部に設けられ、磁性体 1 1 0の周囲に巻回されている。なお、基準磁界用コイル 1 1 3は、磁性体 1 1 0に直接設けずに、磁性体 1 1 0に印加される磁界の磁気経路中に設けてもよい。磁気検出部 1 0 1には、ホール素子、 M R素子、スピンバルブ型等の G M R素子、フラックスゲート素子等の種々の磁気センサ素子を用いることができる。なお、ホール素子は出力が小さいので、ホール素子を用いる場合には、直流増幅を行う等の工夫が必要である。

磁気検出部 1 0 1の両端には磁気検出部接続線 1 2 1が接続され、帰還コイル 1 1 2の両端には帰還コイル接続線 1 2 2が接続され、基準磁界用コイル 1 1 3 の両端には基準磁界用コイル接続線 1 2 3が接続されている。磁気検出部接続線 1 2 1は、磁気検出部 1 0 1の出力信号を処理して、被測定磁界に応じた出力信号を出力端子 1 2 7に対して出力する処理回路 1 2 4が接続されるようになっている。帰還コイル接続線 1 2 2には、帰還コイル 1 1 2に帰還電流を供給する帰還電流源 1 2 5が接続されるようになっている。この帰還電流源 1 2 5が供給する帰還電流は、処理回路 1 2 4によって制御されるようになっている。基準磁界用コイル接続線 1 2 3には、基準磁界用コイル 1 1 3に所定の交流電流を供給する交流電源 1 2 6が接続されるようになっている。

磁気検出部接続線 1 2 1 と帰還コイル接続線 1 2 2は、空洞 1 1 1が開口部を有する場合には、その開口部より外部に引き出せばよい。開口部を閉塞する場合でも、磁性体 1 1 0に導電パターンを形成する等の公知の技術を用いて、外部に引き出すことができる。

次に、処理回路 1 2 4、帰還電流源 1 2 5および交流電源 1 2 6を含めて、第 1図に示した磁気センサ装置の作用について説明する。磁性体 1 1 0の空洞 1 1 1内に収納された磁気検出部 1 0 1には、後述するように被測定磁界 Hに対して所定の比をなす磁界が印加される。処理回路 1 2 4は、磁気検出部 1 0 1の出力信号を処理して、被測定磁界に応じた出力信号を出力端子 1 2 7に対して出力する。また、処理回路 1 2 4は、帰還電流源 1 2 5を制御して、帰還電流源 1 2 5 より、磁気検出部 1 0 1の出力信号に応じた帰還電流を帰還コイル 1 1 2に供給させる。このようにして、帰還コイル 1 1 2より、被測定磁界に対応して磁気検出部 1 0 1に印加される磁界とは逆方向で絶対値の等しい磁界が発生され、磁気検出部 1 0 1 に加わる磁界が常にほぼゼロになるように制御される。これにより、磁気検出部 1 0 1の感度のばらつきや温度依存性による出力変動が抑制される。また、交流電源 1 2 6より、基準磁界用コイル 1 1 3に対して、所定の交流電流が供給され、基準磁界用コイル 1 1 3より、交流磁界が発生される。磁気検出部 1 0 1には、この交流磁界に対応した基準交流磁界が、被測定磁界に対応した磁界に重畳されて印加される。処理回路 1 2 4は、磁気検出部 1 0 1の出力信号より基準交流磁界成分を除去した信号を出力するようになっている。また、処理回路 1 2 4は、磁気検出部 1 0 1の出力信号より基準交流磁界成分を抽出し、この基準交流磁界成分の大きさが一定になるように処理回路 1 2 4の出力信号を調整する。これにより、磁気センサ装置の測定精度が向上する。なお、帰還コイル 1 1 2と基準磁界用コイル 1 1 3は、リニアリティや出力の温度依存性の改善等、磁気センサ装置の測定精度の向上のために設けられるものであり、場合によっては、いずれか一方または両方を省略してもよい。

第 2図は、磁性体 1 1 0に空洞 1 1 1を形成する方法の一例を示したものである。この例では、例えば直方体形状の第 1の磁性体 1 1 O Aの一つの面に、空洞 1 1 1 とする浅い凹状の窪みを設け、この窪み内に磁気検出部 1 0 1を収納した後、この窪みを例えば板状の第 2の磁性体 1 1 0 Bによって閉塞することによつて、閉塞された空洞 1 1 1を形成する。この場合、第 1の磁性体 1 1 O Aと第 2 の磁性体 1 1 0 Bによって、磁性体 1 1 0が構成される。

第 3図は、磁性体 1 1 0に空洞 1 1 1を形成する方法の他の例を示したものである。この例では、例えば直方体形状の磁性体 1 1 0に対して、被測定磁界による磁束の通過方向と直交する方向に向けて開口するように所定の断面形状の孔を形成して、空洞 1 1 1を形成する。空洞 1 1 1内に磁気検出部 1 0 1を収納した後、空洞 1 1 1の開口部は、必要ならば、別の磁性体によって閉塞してもよい。磁性体 1 1 0としてフェライトを用いる場合には、フェライト粉粒体を希望する形状に成形したものを焼成することによって、空洞 1 1 1 を有する磁性体 1 1 0を形成することができる。この場合には、加工費の増加はない。

次に、本実施の形態に係る磁気センサ装置において、磁性体 1 1 0の形状に依存する第 1の反磁界係数と空洞 1 1 1の形状に依存する第 2の反磁界係数の少なくとも一方に基づいて、被測定磁界 Hと磁気検出部 1 0 1に印加される磁界との比を所定の値に設定できることについて説明する。

磁界中に置かれた磁性体の両端には、磁界とは逆方向の磁極が誘起される。そのため、磁性体内部の磁界は、外部の磁界から、誘起された磁極による磁界を差し引いた値となり、外部の磁界よりも小さくなる。磁性体内部の磁界が外部の磁界よりも減少する割合は、反磁界係数または自己減磁率として知られた係数で表される。磁性体の反磁界係数は、磁性体の形状のみで定まる。例えば、反磁界係数は、外部磁界に平行な細長い棒状の磁性体ではほぼゼロであり、外部磁界に垂直な薄い板状の磁性体ではほぼ 1である。従って、外部磁界に平行な細長い棒状の磁性体では、内部磁界は外部磁界とほぼ等しく、外部磁界に垂直な薄い板状の磁性体では、内部磁界は、外部磁界に対して、磁性体の比透磁率分の一となる。本発明では、この磁性体の形状に依存する磁性体の反磁界係数を、第 1の反磁界係数と言う。磁性体の形状を適当に設計して、第 1の反磁界係数に所望の値にすることにより、外部磁界を、 1から磁性体の比透磁率分の一の間の任意の倍率で、磁性体内部の磁界に変換することが可能になる。

これと対照的に、磁化された磁性体中の空洞では、空洞の壁に誘起された磁極による磁界は、磁性体内部の磁界と同じ方向となる。従って、この空洞の壁に誘起された磁極による磁界は、空洞内部の磁界を、磁性体内部の磁界よりも大きくするように作用する。本発明では、空洞内部の磁界が磁性体内部の磁界よりも増加する割合も反磁界係数と呼ぶ。この空洞の反磁界係数は、空洞の形状に依存する。例えば、空洞の反磁界係数は、磁性体内部の磁界に平行な細長い管状の空洞ではほぼゼロであり、磁性体内部の磁界に垂直な薄い隙間状の空洞ではほぼ 1である。従って、磁性体内部の磁界に平行な細長い管状の空洞では、空洞内部の磁界は磁性体内部の磁界とほぼ等しく、磁性体内部の磁界に垂直な薄い隙間状の空洞では、空洞内部の磁界は、磁性体内部の磁界に対して、磁性体の比透磁率倍となる。本発明では、この空洞の形状に依存する空洞の反磁界係数を、第 2の反磁界係数と言う。空洞の形状を適当に設計して、第 2の反磁界係数に所望の値にすることにより、磁性体内部の磁界を、 1から磁性体の比透磁率の間の任意の倍率で、空洞内部の磁界に変換することが可能になる。

以上説明したように、磁性体 1 1 0の形状と空洞 1 1 1の形状とを適当に設計して、第 1の反磁界係数と第 2の反磁界係数とを所望の値に設定することにより、被測定磁界 Hと磁気検出部 1に印加される磁界との比を所定の値に設定することが可能になる。なお、第 1の反磁界係数と第 2の反磁界係数のうちの一方のみを所望の値に設定して、被測定磁界 Hと磁気検出部 1に印加される磁界との比を所定の値に設定することも可能である。しかし、第 1の反磁界係数と第 2の反磁界係数の両方を適宜に設定する方が、磁性体 1 1 0および空洞 1 1 1の形状の設計の自由度が増すので好ましい。

以下、第 1の反磁界係数と第 2の反磁界係数の少なくとも一方に基づいて、被測定磁界 Hと磁気検出部 1に印加される磁界との比を所定の値に設定できることについて、更に具体的に説明する。

空洞 1 1 1 を有する磁性体 1 1 0の比透磁率を _s、第 1の反磁界係数を N_M、第 2の反磁界係数を N_K とする。この磁性体 1 1 0を磁界 Hの中に置くと、磁性体 1 1 0の内部の磁界 H_Mは、次の式（ 1 ) で表される。

H_M=H/ { 1 +N_{M S}- 1 )} … （ 1 )

磁性体 1 1 0に比べて空洞 1 1 1が十分小さければ、空洞 1 1 1の内部の磁界 H_Kは、次の式（2) で表される。

H_K=H_M { 1 +N_{K S}- 1 )} - ( 2)

従って、式（ 1 ) および式（ 2 ) より、空洞 1 1 1の内部の磁界 H_K は、次の式（ 3 ) で表される。

H_K=H { 1 +N_K ( _S— 1 )} / { 1 +N_M (ii _s- 1 )} … (3) 式（ 3 ) より、磁性体 1 1 0の形状と空洞 1 1 1の形状とを適当に設計して、第 1の反磁界係数 N_M と第 2の反磁界係数 N_K とを所望の値に設定することにより、被測定磁界 Hと、空洞 1 1 1内に収納される磁気検出部 1 0 1に印加される磁界 H_K との比を所定の値に設定することが可能になることが分かる。これにより、特に、磁気検出部 1 0 1 自体の磁界測定範囲を超えた高磁界の測定が可能になる。また、この磁気センサ装置を電流センサ装置に用いることにより、大電流の測定が可能になる。

なお、実際には、空洞 1 1 1の存在により磁性体 1 1 0の内部の磁束分布が変わるため、第 2の反磁界係数はもつと複雑になるが、発明の本質の説明には変わりがないので、以下、前出の式（ 1 ) 〜（ 3) が成り立つものとして説明する。ところで、磁気検出部 1 0 1に印加される磁界を、被測定磁界よりも減少させるだけならば、磁束を分流させて、一部の磁束のみが磁気検出部 1 0 1を通過するようにする方法も考えられる。しかしながら、この方法では、磁界の漏れが生じゃすいと共に、磁気検出部 1 0 1が雑音磁界の影響を受けやすいという問題点がある。これに対し、本実施の形態では、磁界の漏れを考慮する必要がないことや、磁界の変換比を任意に設定できることや、磁気検出部 1 0 1が磁性体 1 1 0 によって磁気シールドされて雑音磁界に対して安定であること等、磁束を分流させる方法に比べてはるかに多くの利点を持つ。次に、空洞 1 1 1が開口部を有する場合の効果について説明する。空洞 1 1 1 が密閉構造でなくても、第 2の反磁界係数は、被測定磁界の方向に直交する空洞 1 1 1の面の断面積と空洞 1 1 1の被測定磁界の方向の長さの比で設定することができる。従って、空洞 1 1 1内に磁気検出部 1 0 1 を挿入するための少なくとも 1つの開口部を、被測定磁界と交差する方向、例えば直交する方向に設けることができる。このように、開口部を設けることにより、磁気検出部 1 0 1の装着が容易になる。

次に、磁気検出部 1 0 1 として、検出感度に関して高感度方向を有するものを用いる場合の効果について説明する。空洞 1 1 1が密閉されている場合は、当然、磁気検出部 1 0 1は、周囲全体が磁性体 1 1 0に囲まれ、外部の雑音磁界から遮断されて、動作が安定化される。空洞 1 1 1が開口部を有する場合でも、磁気検出部 1 0 1は、開口部を除き磁性体 1 1 0に囲まれるので、外部の雑音磁界から遮断されて、動作が安定化される。空洞 1 1 1が開口部を有する場合には、磁気検出部 1 0 1 として、検出感度に関して高感度方向を有するものを用い、高感度方向と被測定磁界 Hによる磁束の通過方向とがー致し、低感度方向が空洞 1 1 1 の開口部を向くように、磁気検出部 1 0 1 を配置すれば、雑音磁界に対する耐性がより向上する。

次に、本実施の形態に係る磁気センサ装置が、磁気検出部 1 0 1の出力を負帰還するための負帰還磁界を磁気検出部 1 0 1に印加する負帰還磁界印加手段としての帰還コイル 1 1 2を備えていることによる効果について説明する。従来、直流大電流を測定する電流センサ装置において、リニァリティや出力の温度依存性の改善に非常に効果的な負帰還法を採用しにくかったのは、被測定電流による起磁力と同じ大きさの帰還電流による起磁力が必要なためであった。

しかし、本実施の形態に係る磁気センサ装置によれば、被測定磁界に比べて、磁気検出部 1 0 1に印加される磁界を小さくすることができるので、負帰還磁界も被測定磁界に比べて小さくすることができる。例えば、被測定電流を 1 0 0 A (アンペア）とし、それに鎖交する磁気ヨークに、 1 0 mmのギャップを設けると、ギヤップ内の磁界は、 1 0 0 0 O Aノ mである。ヨークの比透磁率を 1 0 0 0とすれば、ヨークの中の磁界は、磁束密度の連続性から、ギャップ内の磁界の 1ノ 1 000である 1 0 AZmとなる。

ここで、反磁界係数が N_k の空洞 1 1 1をヨークに設ければ、空洞 1 1 1の中の磁界は、式（2) より、 1 0 X ( l +N_kX 99 9) となる。 N_k= 0. 02 (空洞 1 1 1の断面の直径と長さの比が 1 0程度の場合に相当する。）とすると、空洞 1 1 1内の磁界は約 2 1 0 A/mとなる。従って、磁気検出部 1 0 1に対して、この空洞 1 1 1内の磁界を打ち消せるだけの磁界発生手段を設ければ、負帰還法を採用できることになる。

2 1 0 A/mの磁界を発生させることは、直径 0. 1mmの絶縁銅線を密着巻きにしたソレノイドコイル（ 1 0000ターン Zm) に 2 1 m Aの電流を流すことにより実現できる。従って、本実施の形態によれば、大きな帰還電流を必要とすることなく、特性改善効果の著しい負帰還法を採用することができ、これにより、測定精度を向上させることが可能になる。

なお、上記説明では、磁気ヨークに直接空洞 1 1 1を設けることとしたが、磁気ヨークとは別に空洞 1 1 1を有する磁性体 1 1 0を設け、空洞 1 1 1内に磁気検出部 1 0 1を収納した磁性体 1 1 0を磁気ヨークと組み合わせて、磁気経路を形成してもよい。

次に、本実施の形態に係る磁気センサ装置が、磁気検出部 1 0 1に対して、被測定磁界 Hに対する磁気検出部 1 0 1の特性を制御するために用いられる基準交流磁界を印加するための基準磁界印加手段としての基準磁界用コイル 1 1 3を備えていることによる効果について説明する。上述の負帰還法を採用することで、磁気検出部 1 0 1の特性は大幅に改善されるが、空洞 1 1 1の寸法のばらつきによる反磁界係数のばらつきや、磁気ヨークのギャップの寸法のばらつきによる磁気検出部 1 0 1に対する印加磁界のばらつき等、測定精度に影響を与える種々のばらつきは補正されない。

しかし、負帰還法を採用することにより、磁気検出部 1 0 1のリニアリティは保証されるので、交流重畳法を使用することができる。交流重畳法を使用する場合には、例えば、第 1図に示したように磁性体 1 1 0の外周部に基準磁界用コィル 1 1 3を設けたり、磁気ヨークに基準磁界用コイル 1 1 3を設け、この基準磁界用コイル 1 1 3に所定の交流電流を供給して、基準磁界用コイル 1 1 3より、交流磁界を発生させる。磁気検出部 1 0 1には、この交流磁界に対応した基準交流磁界が印加される。そして、処理回路 1 2 4によって、磁気検出部 1 0 1の出力信号より基準交流磁界成分を抽出し、この基準交流磁界成分の大きさが一定になるように処理回路 1 2 4の出力信号を調整することにより、前述の空洞 1 1 1 の寸法のばらつきによる反磁界係数のばらつきや、磁気ヨークのギャップの寸法のばらつきによる磁気検出部 1 0 1に対する印加磁界のばらつき等、測定精度に影響を与える種々のばらつきを完全に補正することが可能となり、磁気センサ装置の測定精度が向上する。

以上の説明を含めて、本実施の形態に係る磁気センサ装置の効果をまとめると以下のようになる。

まず、本実施の形態に係る磁気センサ装置によれば、第 1の反磁界係数と第 2 の反磁界係数の少なくとも一方に基づいて、被測定磁界 Hと磁気検出部 1 0 1に印加される磁界との比を所定の値に設定することができるので、使用する磁気検出部 1 0 1の磁界測定範囲を超えた範囲の磁界を測定することが可能となり、特に、高磁界、大電流の測定が可能になる。

また、本実施の形態に係る磁気センサ装置によれば、容易に負帰還法や交流重畳法を採用することが可能になるので、リニァリティや出力の温度依存性の改善を、必要に応じて任意に行うことが可能となり、測定精度を向上させることが可能になる。しかも、負帰還磁界印加手段としての帰還コイル 1 1 2を、空洞 1 1 1内に設けることにより、大きな帰還電流が不要となる。

また、本実施の形態に係る磁気センサ装置によれば、磁気検出部 1 0 1が磁性体 1 1 0に囲まれるので、外部の雑音磁界から遮断されて、動作が安定化される。また、本実施の形態に係る磁気センサ装置によれば、磁気検出部 1 0 1として、従来は、磁界測定範囲が被測定磁界の大きさに適合しないという理由から採用できなかった磁気センサ素子も使用することが可能になる。そのため、従来は、被測定磁界の変化に対する出力の単調性は確保されているが、磁界測定範囲の点の採用できなかった磁気センサ素子も使用可能となり、このような磁気センサ素子を採用することにより、負帰還法を用いても、負帰還系が暴走するおそれがなくなる。また、同様に、本実施の形態に係る磁気センサ装置によれば、従来は、出力は大きいが、磁界測定範囲の点で採用できなかった磁気センサ素子も使用可能となり、このような磁気センサ素子を採用することにより、出力が大きく、ドリフトの影響の少ない磁気センサ装置を実現することが可能になる。

また、本実施の形態に係る磁気センサ装置によれば、基本的には、磁性体 1 1 0の空洞 1 1 1内に磁気検出部 1 0 1 を収納した構造なので、構造が簡単で、精度のよい磁気センサ装置を安価に提供することが可能になる。特に、磁性体 1 1 0に、開口部を有する空洞 1 1 1を形成する場合には、磁気検出部 1 0 1の設置が簡単で、磁気センサ装置をより安価に提供することが可能になる。また、交流重畳法を採用することにより、空洞 1 1 1の寸法のばらつきによる反磁界係数のばらつきや、磁気ヨークのギャップの寸法のばらつきによる磁気検出部 1 0 1に対する印加磁界のばらつき等、測定精度に影響を与える種々のばらつきを、機械的な調整を行うことなく、補正することが可能となり、精度のよい磁気センサ装置を安価に提供することが可能になる。

[第 2の実施の形態]

次に、第 4図を参照して、本発明の第 2の実施の形態に係る磁気センサ装置について説明する。本実施の形態に係る磁気センサ装置は、高磁界の測定に適するように設計されたものである。この磁気センサ装置は、磁界に応じた信号を出力する磁気検出部 1 0 1 と、この磁気検出部 1 0 1が収納される空洞 1 1 1を有する磁性体 1 1 0とを備え、磁性体 1 1 0の空洞 1 1 1内に磁気検出部 1 0 1が収納され、磁性体 1 1 0の形状に依存する第 1の反磁界係数と空洞 1 1 1の形状に依存する第 2の反磁界係数の少なくとも一方に基づいて、被測定磁界 Hと磁気検出部 1 0 1に印加される磁界との比が所定の値に設定されている。

磁気センサ装置は、更に、磁気検出部 1 0 1に対して、磁気検出部 1 0 1の出力を負帰還するための負帰還磁界を印加する負帰還磁界印加手段としての帰還コィル 1 1 2を備えている。この帰還コイル 1 1 2は、空洞内 1 1 1に設けられ、磁気検出部 1 0 1の周囲に巻回されている。

磁気センサ装置は、更に、磁気検出部 1 0 1に対して、被測定磁界 Hに対する磁気検出部 1 0 1の特性を制御するために用いられる基準交流磁界を印加するための基準磁界印加手段としての基準磁界用コイル 1 1 3を備えている。この基準磁界用コイル 1 1 3は、磁性体 1 1 0の外部に設けられ、磁性体 1 1 0の周囲に巻回されている。

本実施の形態に係る磁気センサ装置において、磁性体 1 1 0の比透磁率/ z _s を 1 0 0 0、第 1の反磁界係数 N _m を 0 . 5、第 2の反磁界係数 N _k を 0 . 0 2とすると、空洞 1 1 1の内部の磁界 H _kは、式（ 3 ) より、 0 . 0 4 2 Hとなる。すなわち、磁気検出部 1 0 1に加わる磁界は、被測定磁界 Hの 4 . 2 %となる。逆に言えば、本実施の形態に係る磁気センサ装置では、磁気検出部 1 0 1の最大測定可能磁界の約 2 4倍の高磁界を測定することが可能になる。

また、本実施の形態に係る磁気センサ装置では、帰還コイル 1 1 2の起磁力は被測定磁界の 4 . 2 %で十分である。また、基準磁界用コイル 1 1 3の起磁力は、一般に、被測定磁界の 1 %程度で十分である。従って、本実施の形態に係る磁気センサ装置によれば、帰還コイル 1 1 2の消費電流と基準磁界用コイル 1 1 3の消費電流が共に非常に小さく、実用的な磁気センサ装置となる。

本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は、第 1の実施の形態と同様である。

[第 3の実施の形態]

次に、第 5図および第 6図を参照して、本発明の第 3の実施の形態に係る磁気センサ装置について説明する。本実施の形態に係る磁気センサ装置は、磁性体の形状に依存する第 1の反磁界係数のみを所望の値に設定して、被測定磁界と磁気検出部に印加される磁界との比を所定の値に設定するようにした例である。

第 5図は、本実施の形態に係る磁気センサ装置の構成の一例を示す説明図である。この磁気センサ装置は、第 2の実施の形態に係る磁気センサ装置における空洞 1 1 1内に、磁気検出部 1 0 1を収納した後、磁性塗料等の磁性体 1 1 5を、空洞 1 1 1内の隙間に充填したものである。

本実施の形態に係る磁気センサ装置では、磁気検出部 1 0 1には、磁性体 1 1 0の内部の磁界が印加される。この磁界は、外部磁界 Hと、磁性体 1 1 0の形状に依存する第 1の反磁界係数 N _m によって決まる。

第 6図は、本実施の形態に係る磁気センサ装置の構成の他の例を示す説明図である。この磁気センサ装置は、第 5図における磁性体 1 1 0および磁性体 1 1 5 の代わりに、一体の磁性体 1 3 0を設けたものである。磁気検出部 1 0 1は、磁性体 1 3 0の内部に埋め込まれている。このような構造の磁気センサ装置は、例えば、磁性体 1 3 0として樹脂と磁性材料のコンパウンド材を使用し、磁気検出部 1 0 1を内部に埋め込んだ状態で、所定の形状の磁性体 1 3 0を成形することで得ることができる。

本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は、第 2の実施の形態と同様である。

[第 4の実施の形態]

次に、第 7図を参照して、本発明の第 4の実施の形態に係る電流センサ装置について説明する。この電流センサ装置は、本実施の形態に係る磁気センサ装置を含んでいる。なお、以下、電流センサ装置を中心に説明するが、以下の説明は、本実施の形態に係る磁気センサ装置の説明を兼ねている。

本実施の形態に係る電流センサ装置は、被測定電流が通過する導電部 1 4 1を囲うように設けられ、一部が切り欠かれた環状をなす磁気ヨーク 1 4 2と、このヨーク 1 4 2の切り欠かれた部分に配置された磁性体 1 1 0とを備えている。磁性体 1 1 0には空洞 1 1 1が設けられ、この空洞 1 1 1内に磁気検出部 1 0 1が収納されている。

本実施の形態に係る電流センサ装置では、磁性体 1 1 0の形状に依存する第 1 の反磁界係数と空洞 1 1 1の形状に依存する第 2の反磁界係数の少なくとも一方に基づいて、被測定電流によって発生する被測定磁界と磁気検出部 1 0 1に印加される磁界との比が所定の値に設定されている。

電流センサ装置は、更に、磁気検出部 1 0 1に対して、磁気検出部 1 0 1の出力を負帰還するための負帰還磁界を印加する負帰還磁界印加手段としての帰還コィル 1 1 2を備えている。この帰還コイル 1 1 2は、空洞 1 1 1内に設けられ、磁気検出部 1 0 1の周囲に巻回されている。

電流センサ装置は、更に、磁気検出部 1 0 1に対して、被測定磁界に対する磁気検出部 1 0 1の特性を制御するために用いられる基準交流磁界を印加するための基準磁界印加手段としての基準磁界用コイル 1 1 3を備えている。この基準磁界用コイル 1 1 3は、磁気ヨーク 1 4 2の一部の周囲に卷回されている。

ここで、磁性体 1 1 0の両端部と磁気ヨーク 1 4 2との間の空隙の長さを、それぞれ G,， G₂ とし、これらの空隙の長さの和を G Gi + Gz とする。

次に、本実施の形態に係る電流センサ装置の作用について説明する。この電流センサ装置では、導電部 1 4 1を紙面直交方向に流れる被測定電流によって磁界が発生する。この磁界を、本実施の形態において、被測定磁界と言う。この被測定磁界は、磁性体 1 1 0に印加される。磁気検出部 1 0 1には、被測定磁界に対して所定の比をなす磁界が印加される。被測定磁界の大きさは被測定電流の大きさに応じて変化する。また、被測定電流の方向に応じて、被測定磁界の方向も変化する。電流センサ装置は、被測定電流によって発生した被測定磁界を測定することで、間接的に被測定電流を測定する。なお、第 7図に示した装置を、磁気センサ装置として使用する場合には、この磁気センサ装置は、被測定磁界を直接測定する。

本実施の形態のような電流センサ装置では、実用的な見地から、磁気ヨーク 1 4 2および磁性体 1 1 0の形状をむやみに大きくすることはできない。また、磁気検出部 1 0 1にもある程度の大きさが必要なため、空洞 1 1 1の小型化にも限界がある。そのため、磁性体 1 1 0の形状を任意に設定して、第 1の反磁界係数 N_m を任意に設定できるとは限らない。

しかし、磁性体 1 1 0の形状に依存する第 1の反磁界係数 N_m が小さくても、磁気ヨーク 1 4 2と磁性体 1 1 0は、 G,, G₂ の空隙を介して、ほぼ閉磁路を作ることから、もれ磁束を無視すれば、磁性体 1 1 0の内部の磁界は、磁性体 1 1 0の被透磁率が 1より十分大きければ、磁性体 1 1 0の被透磁率分の一となる。これは、第 1の反磁界係数 N_mが 1であることと等価である。

ここで、磁性体 1 1 0の被透磁率を i _sm、磁気ヨーク 1 4 2の被透磁率を _sy とし、 w _sm»l、 μ. _sy»l とする。磁性体 1 1 0の内部の磁界を H_m、長さ Gの空隙における磁界を H_gとすると、 Hg l ZG Hm Hg/ smであるから、空洞 1 1 1内の磁界 H_kは、次の式で表される。

H_k= ( 1 /G UsJ { 1 +N_k ( _sm- 1 )}

ここで、被測定電流を 1 00 A、総空隙長 G^G! + Gz を 1 0mm、第 2の反磁界係数 N_k を 0. 02 (空洞 1 1 1の断面の直径と長さの比が 1 0程度の場合に相当する。）、 i_smを 1 000とすると、空洞 1 1 1内の磁界 H_kは、次のように求まる。

H_k= 20 9. 8 = 2 1 0 A/m

従って、磁気検出部 1 0 1には、スピンバルブ型の GMR素子やフラックスゲ —ト素子等の高感度の磁気センサ素子を使用することができる。このような高感度の磁気センサ素子は、負帰還法を採用した場合のように、磁気センサ素子が磁界ゼロの近傍で動作する場合には、磁気センサ素子の出力の信号対雑音比（S/ N) が高く、動作が安定である。また、スピンバルブ型の GMR素子やフラックスゲート素子では、素子出力の単調性が保証されているものが多いので、単調性が保証されている素子を用いれば、帰還系が暴走するおそれがない。

また、空洞 1 1 1内の磁界 H_k が 2 1 0 A Zmである場合には、 2 1 0 A/m の負帰還磁界が必要になるが、 2 1 0 A/mの磁界を発生させることは、直径 0. 1 mmの絶縁銅線を密着巻きにしたソレノィドコイル（1 00ターン cm) に、わずか 2 1mAの電流を流すことにより実現できる。また、基準磁界用コイル 1 1 3に必要な電流は、コイルの卷数を 1 0 0ターンとして、被測定電流による起磁力 1 00 AZmの 1 %とすると、 1 0mAである。このように、本実施の形態によれば、負帰還法を用いる場合には大きな帰還電流が必要であった従来技術による電流センサ装置に比べて、わずかな帰還電流および交流重畳用の交流電流により、精度、安定性、ばらつきの軽減効果等の点で同等の電流センサ装置を実現することができる。

[第 5の実施の形態]

次に、第 8図を参照して、本発明の第 5の実施の形態に係る電流センサ装置について説明する。この電流センサ装置は、磁性体内の空洞の形状に依存する第 2 の反磁界係数のみを所望の値に設定して、被測定磁界と磁気検出部に印加される磁界との比を所定の値に設定するようにした例である。

本実施の形態に係る電流センサ装置では、第 7図に示した電流センサ装置における磁性体 1 1 0の代わりに、空洞および磁気検出部を内部に含まない磁性体 1 5 0を設けている。また、本実施の形態に係る電流センサ装置では、第 7図に示した電流センサ装置における磁気ヨーク 1 4 2の内部に、空洞 1 1 1を設け、この空洞 1 1 1内に磁気検出部 1 0 1を収納している。本実施の形態における磁気ヨーク 1 4 2は、本発明における空洞を有する磁性体に対応する。

本実施の形態に係る電流センサ装置では、磁気検出部 1 0 1には、空洞 1 1 1 の内部の磁界が印加される。この磁界は、被測定電流に対応する被測定磁界と、空洞 1 1 1の形状に依存する第 2の反磁界係数 N _kによって決まる。

本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は、第 4の実施の形態と同様である。

第 1ないし第 5の実施の形態を含む本発明の磁気センサ装置または電流センサ装置によれば、磁性体の形状に依存する第 1の反磁界係数と空洞の形状に依存する第 2の反磁界係数の少なくとも一方に基づいて、被測定磁界と磁気検出部に印加される磁界との比を所定の値に設定するようにしたので、磁気検出部に印加される磁界を、磁気検出部の磁界測定範囲に適した値にすることが可能となり、その結果、特性のよい磁気検出部の採用や、測定精度を向上させる技術の採用が容易になり、任意の大きさの磁界や電流を精度よく測定することが可能になる。更に、磁気検出部が磁性体によって磁気シールドされるので、雑音磁界に対して安定になる。

また、空洞が、被測定磁界による磁束の通過方向と交差する方向に向けて開口する開口部を有するようにした場合には、更に、空洞に対する磁気検出部の装着が容易になる。

また、磁気検出部が検出感度に関して高感度方向を有し、高感度方向と被測定磁界による磁束の通過方向とがー致するように、磁気検出部を空洞内に配置した場合には、更に、雑音磁界に対する耐性が向上する。

また、磁気センサ装置または電流センサ装置が、磁気検出部に対して、磁気検出部の出力を負帰還するための負帰還磁界を印加する負帰還磁界印加手段を備えた場合には、更に、リニアリティや出力の温度依存性を改善でき、測定精度を向上させることが可能になる。また、負帰還磁界印加手段を空洞内に設けた場合には、更に、高磁界ゃ大電流を測定する場合でも、帰還電流を小さくすることが可能になる。

また、磁気センサ装置または電流センサ装置が、磁気検出部に、被測定磁界に対する磁気検出部の特性を制御するために用いられる基準交流磁界を印加する基準磁界印加手段を備えた場合には、更に、測定精度に影響を与える種々のばらつきを補正することが可能になる。

[第 6ないし第 8の実施の形態の概略]

次に、本発明の第 6ないし第 8の各実施の形態の概略について説明する。第 6 ないし第 8の各実施の形態では、磁芯と、この磁芯に巻回された、印加される被測定磁界を検出するためのコイルとを備えたフラックスゲ一ト磁気センサ素子において、磁芯が、被測定磁界に対する反磁界係数とコイルが発生する磁界に対する反磁界係数とが異なるような形状を有するようにしている。特に、第 6ないし第 8の各実施の形態では、磁芯が、印加される被測定磁界に対する反磁界係数が、コイルが発生する磁界に対する反磁界係数よりも大きくなるような形状を有するようにしている。

ここで、印加される被測定磁界に対する磁芯の反磁界係数と、コイルが発生する磁界に対する磁芯の反磁界係数について考える。

平行磁界 H _g の磁界中に置かれた磁性体の中の磁界 H _s は、以下の式（4 ) で表される。

H _s = H _g/ { 1 + N _S ( pi _s - 1 ) } - ( 4 )

ここで、 N _s は反磁界係数、 Ui _s は磁性体の比透磁率である。ここで、反磁界係数について簡単に説明する。磁界中に置かれた磁性体の両端には、磁界と逆方向の磁極が誘起される。そのため、磁性体内部の磁界は、外部の磁界から、誘起された磁極による磁界を差し引いた値となり、外部の磁界よりも小さくなる。磁性体内部の磁界が外部の磁界よりも減少する割合は、反磁界係数または自己減磁率として知られた係数で表される。磁性体の反磁界係数は、磁性体の形状のみによって決まる。

H _g を、被測定磁界、または被測定電流の作る磁界とすると、棒状磁芯では、 H に対する磁芯の反磁界係数 N _s と、磁芯に巻回されたコイルが作る磁界（簡単のため平行磁界と近似する）に対する反磁界係数 N_c は、等しくなる。従って、負帰還法を用いる場合には、負帰還電流によりコイルが発生する磁界は一 H_g でなければならない。棒状磁芯には幅 b (m) にわたり n巻のコイルが巻回されているものとすると、簡単な近似では、コイル電流 i のとき、発生する磁界は n i Z bであり、磁芯の中での磁界 H_c は、以下の式（ 5 ) で表される。

H_c= (n i /b) / { 1 +N_C (PL _S - 1 )} - ( 5 )

負帰還法を用いる場合には、 H_s=— H_c であるから、 N_S = N_C の場合には、以下の式（6 ) の関係が得られる。

H_g= - n i / b - ( 6 )

従って、 N_S = N_C の場合には、磁気ヨークの空隙長 gを変えずに、すなわち H _g を変えずに、負帰還電流 i を減らすか、あるいは、逆に、負帰還電流 i を増やさずに、 H_g を大きくするためには、コイルの巻幅（コイルの軸方向の長さ） b を小さくするか、巻数 nを大きくしなければならない。しかし、いずれも、線材が細くなりすぎる等の限界がある。

しかし、ここで被測定磁界 H_g に対する磁芯の反磁界係数 N_s と、磁芯に巻回されたコイルが作る磁界（簡単のため平行磁界と近似する）に対する磁芯の反磁界係数 N_c が異なっており、 N_S>N_C とすると、式（4)、（ 5 ) より、 H_c>H_g となって、他の条件を変えずに被測定磁界または被測定電流を大きくすることができることが分かる。

反磁界係数は、磁束の通過方向での磁性体の断面積と長さに依存するので、 N _S>N_C とするためには、印加磁界の磁束に対する磁芯の見かけ上の長さと、コィルが発生する磁界の磁束に対する磁芯の見かけ上の長さとを異ならせればよい。これは、簡単な例では、中央の棒状部分とこの棒状部分の両端部から棒状部分の軸方向に直交する方向に延びる部分とを有するコの字状の磁芯の縦棒部分にコィルを卷回し、縦棒部分の軸方向に被測定磁界を印加することで実現することがでさる。

なお、よく知られたトロイダル磁芯を用いたフラックスゲート素子は、励磁磁界に対しては反磁界係数がゼロであるが、構成および目的、効果が本発明の磁気センサ素子とは異なる。前者の動作原理は、次の通りである。前者では、トロイダル磁芯内の励磁磁束については円環経路となるため、トロイダル磁芯内の励磁磁束に対して、平行に加えられた外部磁界による磁束が、円環経路の一部では加算され、一部では減算される。従って、トロイダル磁芯内の磁束には、大きい部分と小さい部分とが生じる。外部磁界による磁束が加算されて磁束が大きくなつた部分で磁芯が飽和すれば、励磁磁束は磁芯外へ漏れ出す。励磁磁束が一定ならば、この漏れ磁束の大きさは、外部磁界の大きさに影響される。よって、励磁巻線を含むトロイダル磁芯全体を別のコイルに挿入し、そのコイルにより、この漏れ磁束を検出することによって、外部磁界が検出される。これに対し、本発明の磁気センサ素子では、磁芯に巻回されたコイルが、外部磁界を検出するためのコィルになっており、このコイルのインダクタンスの変化を検出することによって外部磁界を検出するため、漏れ磁束検出用のコイルは必要ない。更に、トロイダル磁芯を用いたフラックスゲート素子では、外部磁界に対する反磁界係数を考えた形状の加工は、全く考慮されていない。

[第 6の実施の形態]

次に、本発明の第 6の実施の形態に係る磁気センサ素子について説明する。第 9図は、本実施の形態に係る磁気センサ素子の構成を示す断面図である。この磁気センサ素子は、磁芯 1 と、この磁芯 1に卷回された、印加される被測定磁界を検出するためのコイル 2とを備えたフラックスゲート磁気センサ素子である。磁芯 1は、本発明における磁性体に対応する。

磁芯 1は、円柱形状の芯部 l aと、この芯部 1 aの両端部に形成された円板形状の鍔部 1 bとを有するドラム型の磁芯である。この磁芯 1は、被測定磁界とコィル 2が発生する磁界のいずれに関しても開磁路を形成する。一例として、芯部 l aの直径は 0 . 8 mm、長さは 1 . 5 mmであり、鍔部 1 bの直径は 2 mm、厚みは 0 . 5 mmである。また、一例として、磁芯 1は、 Ν ί— C u — Z n系フエライト材によって形成され、比透磁率 _s は 5 0 0である。

コイル 2は、磁芯 1の芯部 1 aの周りに巻回されている。コイル 2は、一例として、直径 0 . 0 3 mmのウレタン被覆導線を 1 8 0ターン巻回したものである。第 9図に示した磁気センサ素子のィンダク夕ンスは 3 5 0 Hであり、インダクタンスが半減するコイル電流は 6 0 m Aであった。次に、本実施の形態に係る磁気センサ素子の作用について説明する。この磁気センサ素子は、磁気センサ装置または電流センサ装置に使用される。具体的には、この磁気センサ素子は、第 9図において符号 Hで示した被測定磁界（被測定電流によって発生する被測定磁界を含む）に対して、芯部 1 aの軸方向が平行になるように配置される。例えば、大振幅励振法を用いる場合には、コイル 2に、ピーク時には磁芯 1が飽和領域に入るような交流電流が印加され、コイル 2のインダクタンスの変化を検出することにより被測定磁界が検出される。また、負帰還法を用いる場合には、被検出磁界と同じ大きさの逆磁界を発生させるための負帰還電流がコイル 2に供給される。

本実施の形態に係る磁気センサ素子に第 9図において符号 Hで示した外部磁界 (被測定磁界）を印加したときの外部磁界に対する磁芯 1の反磁界係数 N_s と、磁芯 1に卷回されたコイル 2が発生する磁界に対する反磁界係数 N_c を解析的に求めることは困難であるが、以下のように、実測値に基づいて概算することがでさる。

第 9図に示した磁気センサ素子において、コイル 2の内部の磁界がゼロになるようなコイル電流は、実測によれば、 H = 1 000 AT/mあたり 5 m Aであつた。一方、反磁界係数 N_s, N_cが等しいとすると、コイル 2の内部の磁界がゼロになるようなコイル電流 iは、式（6) を用いて以下のように近似的に求めることができる。

Η= (1 80 Χ Ϊ /1. 5) X 1 000 から、

H= 1 000 AT/m のとき、

1 =8. 3 mA

このように、コイル 2の内部の磁界がゼロになるようなコイル電流の実測値は、反磁界係数 N_s, N_cが等しい場合におけるコイル電流の値の約 1ノ 1. 6である。従って、この電流値の比から求まる等価的な反磁界係数は、 N_S 1. 6 N_C となつていることが分かる。つまり、本実施の形態に係る磁気センサ素子によれば、反磁界係数 N_s, N_cが等しい場合に比べて、同一の外部磁界（被測定磁界）に対して、それを打ち消すための負帰還電流は 1 1. 6に減少する。

ここで、等価的な反磁界係数 N_s が、反磁界係数 N_c に比べてあまり大きくない理由は、以下のように考えられる。すなわち、磁芯 1の中心線上の磁路の長さに着目すると、大ざっぱに言って、被測定磁界に対する磁芯 1の反磁界係数 N _s は、直径 0 . 8 mm、長さ 2 . 5 mmの磁芯の反磁界係数と等価であり、コイル 2が発生する磁界に対する磁芯 1の反磁界係数 N _c は、直径 0 . 8 mm、長さ 4 mmの磁芯の反磁界係数と等価となるため、磁路の長さの比があまり大きくないためと考えられる。

以上説明したように、本実施の形態に係る磁気センサ素子によれば、印加される被測定磁界に対する磁芯 1の反磁界係数 N _s と、コイル 2が発生する磁界に対する磁芯 1の反磁界係数 N _c とが異なることから、コイル 2に負帰還電流を供給する場合に、 2つの反磁界係数 N _s， N _cが等しい場合と比較して、負帰還電流を変えることが可能となり、容易に磁界または電流の測定範囲を広げることが可能になる。特に、本実施の形態によれば、印加される被測定磁界に対する磁芯 1の反磁界係数 N _s が、コイル 2が発生する磁界に対する磁芯 1の反磁界係数 N _c よりも大きいことから、コイル 2に負帰還電流を供給する場合に、 2つの反磁界係数 N _s， N _cが等しい場合と比較して、負帰還電流を小さくすることが可能となり，容易に大きな磁界または電流を測定することが可能になる。

[第 7の実施の形態]

次に、本発明の第 7の実施の形態に係る磁気センサ素子について説明する。第 1 0図は、本実施の形態に係る磁気センサ素子の構成を示す断面図である。本実施の形態に係る磁気センサ素子は、第 6の実施の形態に係る磁気センサ素子と同様の磁芯 1 とコイル 2とを備えていると共に、更に、コイル 2の外側を、フェライト粉を樹脂塗料に混合した、いわゆる磁性塗料で被覆して、被覆層 3を設けたものである。被覆層 3は、磁芯 1の 2つの鍔部 1 b間を連結する。

一例として、被覆層 3の厚みは、平均で 0 . 5 mmであり、被覆層 3の比透磁率は 1 2である。本実施の形態に係る磁気センサ素子では、コイル 2のインダクタンスは l m H、インダクタンスが半減するコイル電流は 3 0 m Aであった。本実施の形態では、磁芯 1および被覆層 3を磁芯と見ると、この磁芯は、被測定磁界に関しては開磁路を形成するが、コイル 2が発生する磁界に関しては閉磁路を形成する。従って、コイル 2が発生する磁界に対する磁芯の反磁界係数 N _c は大幅に減少する。この場合、コイル 2の内部の磁界がゼロになるようなコイル電流は、実測によれば H = 1 0 0 0 A T Zmあたり 2 . 4 m Aであった。この結果より、等価的な反磁界係数は、 N _s = 3 . 5 N _c となる。つまり、本実施の形態では、反磁界係数 N _s， N _cが等しい場合に比べて、負帰還電流は 1 / 3以下で済む。

本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は、第 6の実施の形態と同様である。

[第 8の実施の形態]

次に、本発明の第 8の実施の形態に係る電流センサ装置について説明する。第 1 1図は、本実施の形態に係る電流センサ装置の構成を示す回路図である。本実施の形態に係る電流センサ装置は、第 6の実施の形態に係る磁気センサ素子を用いて構成されている。また、この電流センサ装置は、本実施の形態に係る磁気センサ装置を含んでいる。

本実施の形態に係る電流センサ装置は、被測定電流が通過する導電部 6 1を囲うように設けられ、一部にギャップを有する磁気ヨーク 6 2を備えている。そして、磁気ヨーク 6 2のギャップ内に、第 6の実施の形態に係る磁気センサ素子が配置されている。第 1 1図に示した電流センサ装置のうち、磁気ヨーク 6 2を除いた部分が磁気センサ装置である。

以下、本実施の形態に係る電流センサ装置の回路構成について説明する。なお、オペアンプ用の正、負電源回路は、習慣に従って、図示していない。

コイル 2の一端には、検出コイル 2 0の一端が接続されている。検出コイル 2 0の他端は、接地されている。コイル 2の他端には、帰還電流経路用コイル 6の一端が接続されている。帰還電流経路用コイル 6の他端は、コンデンサ 7を介して接地されている。

電流センサ装置は、更に、コイル 2を一部に含む直列共振回路を有し、磁芯 1 が飽和領域に達するような交流電流として、直列共振回路に流れる共振電流をコィル 2に供給する駆動回路と、コイル 2のインダクタンスの変化に対応する、コィル 2に流れる共振電流の変化を検出することによって、被測定磁界を検出すると共に、コイル 2に、負帰還法のための負帰還電流を供給することによって、コィル 2より負帰還法のための負帰還磁界を発生させるための検出 · 帰還回路とを備えている。検出 · 帰還回路は、本発明における負帰還手段に対応する。

駆動回路は、直列共振回路を含む発振回路を有する。この発振回路は、以下のように構成されている。すなわち、発振回路は、トランジスタ 1 1を有している。トランジスタ 1 1のベースは、共振用コンデンサ 1 2を介して、コイル 2の他端に接続されている。トランジスタ 1 1のベースには、帰還用コンデンサ 1 3の一端が接続されている。帰還用コンデンサ 1 3の他端には、帰還用コンデンサ 1 4 の一端とトランジスタ 1 1のエミッ夕が接続されている。帰還用コンデンサ 1 4 の他端は接地されている。トランジスタ 1 1のェミッタは、負荷用コイル 1 5を介して接地されている。トランジスタ 1 1のコレクタは、電源入力端 1 6に接続されていると共に、バイアス抵抗 1 7を介してベースに接続されている。この発振回路は、クラップ発振回路の構成となっている。ただし、コンデンサ 1 2 , 1 3 , 1 4のキャパシタンスをそれぞれ C s , C b, C e とすると、 C s 《C b， C e である。

検出 · 帰還回路は、以下のように構成されている。コイル 2と検出用コイル 2 0との接続点には、コンデンサ 2 1の一端が接続され、コンデンサ 2 1の他端は、抵抗 2 2を介して接地されている。これらコンデンサ 2 1および抵抗 2 2は、検出用コイル 2 0の両端に発生する電圧を微分して、被測定磁界に応じた信号を出力する微分回路を構成している。

コンデンサ 2 1 と抵抗 2 2との接続点には、ダイオード 2 3のアノードとダイオード 2 5の力ソードが接続されている。ダイオード 2 3の力ソードは、コンデンサ 2 4を介して接地されている。ダイオード 2 5のアノードは、コンデンサ 2 6を介して接地されている。ダイオード 2 3とコンデンサ 2 4は、正方向ピークホールド回路を構成し、ダイオード 2 5とコンデンサ 2 6は、負方向ピークホールド回路を構成している。

ダイォ一ド 2 3とコンデンサ 2 4との接続点には、抵抗 2 7の一端が接続されている。ダイオード 2 5とコンデンサ 2 6との接続点には、抵抗 2 8の一端が接続されている。抵抗 2 7， 2 8の各他端は、抵抗 3 1の一端に接続されている。抵抗 2 7， 2 8は、正方向ピークホールド回路でホールドされた正方向出力値と負方向ピークホールド回路でホールドされた負方向出力値とを加算する抵抗加算回路を構成している。抵抗 3 1の一端には、外部磁界に対応した検出信号が現れる。

抵抗 3 1の他端は、オペアンプ 3 2の反転入力端に接続されている。オペアンプ 3 2の非反転入力端は、抵抗 3 3を介して接地されている。また、オペアンプ 3 2の出力端は、抵抗 3 4を介して反転入力端に接続されている。これら、オペアンプ 3 2、抵抗 3 1， 3 3， 3 4は、反転アンプを構成している。

オペアンプ 3 2の出力端は、出力検出用抵抗 3 5の一端に接続されている。出力検出用抵抗 3 5の他端は、帰還電流経路用コイル 6とコンデンサ 7の接続点に接続されている。抵抗 3 5の一端は、抵抗 3 6を介して、オペアンプ 3 8の非反転入力端に接続され、抵抗 3 5の他端は、抵抗 3 7を介して、オペアンプ 3 8の反転入力端に接続されている。オペアンプ 3 8の非反転入力端は、抵抗 3 9を介して接地されている。オペアンプ 3 8の出力端は、抵抗 4 0を介して反転入力端に接続されていると共に、検出出力端 4 1に接続されている。オペアンプ 3 8および抵抗 3 6， 3 7 , 3 9， 4 0は、差動アンプを構成している。

なお、検出用コイル 2 0、帰還電流経路用コイル 6およびコンデンサ 7は、駆動回路としての発振回路の一部でもあるし、検出 · 帰還回路の一部でもある。次に、本実施の形態に係る電流センサ装置の作用について説明する。コイル 2 には、発振回路によって、磁芯 1が飽和領域に達するような交流電流が供給される。この交流電流は、電源電圧で制限される電流値に対して共振回路の Q値倍となる共振電流である。本実施の形態では、コイル 2のインダク夕ンスの変化を電流センサ装置の出力信号として取り出す方法として、共振電流の波形変化を検出する方法を用いる。具体的には、コイル 2に対して直列に接続された、飽和電流値の大きな検出用コイル 2 0の両端の電圧を、コンデンサ 2 1および抵抗 2 2からなる微分回路で微分する。そして、ダイオード 2 3およびコンデンサ 2 5からなる正方向ピークホールド回路によって、微分回路の出力の正方向出力値をホールドし、ダイオード 2 4およびコンデンサ 2 6からなる負方向ピークホールド回路によって、微分回路の出力の負方向出力値をホールドし、抵抗 2 7 , 2 8からなる抵抗加算回路によって正方向出力値と負方向出力値とを加算して、外部磁界に対応した検出信号を得る。

外部磁界がないときには、検出用コイル 2 0の両端の電圧波形の微分波形における正の部分と負の部分は対称であり、微分波形の正負の各ピーク値の和（絶対値の差）は、ゼロである。これに対し、コイル 2に外部磁界が加わったときには、微分波形における正の部分と負の部分は非対称となる。その結果、微分波形の正負の各ピーク値の和（絶対値の差）は、ゼロ以外の値となり、これは外部磁界に依存する。このようにして、本実施の形態によれば、微分波形の正負の各ピーク値の和（絶対値の差）より、外部磁界を測定することができる。

このように、検出 · 帰還回路は、コイル 2に流れる共振電流のうちの磁芯 1が飽和領域に達する部分に基づいて、被測定磁界を検出する。あるいは、検出 · 帰還回路 4は、コイル 2に流れる共振電流のうちの正負非対称成分に基づいて、被測定磁界を検出するとも言える。

抵抗 2 7 , 2 8からなる抵抗加算回路によって得られた検出信号は、オペアンプ 3 2および抵抗 3 1 , 3 3， 3 4からなる反転アンプによって反転増幅され、出力検出用抵抗 3 5を経て、帰還電流経路用コイル 6とコンデンサ 7の接続点に印加される。これにより、帰還電流経路用コイル 6を介して、コイル 2に負帰還電流が供給され、コイル 2に、外部磁界とは逆方向の起磁力が与えられる。本実施の形態では、反転アンプは正負両極性の出力を持つので、外部磁界の正、負（一つの方向を正とする。）に対応した負、正の帰還電流を反転アンプ出力端からコィル 2に流すため、コイル 2側の接地端は接地されている。

外部磁界の測定は、次のようにして行われる。出力検出用抵抗 3 5によって、負帰還電流、すなわち外部磁界に比例した電流が電圧に変換され、この電圧が、オペアンプ 3 8および抵抗 3 5， 3 6 , 3 9 , 4 0よりなる差動アンプによって増幅され、検出出力端 4 1に与えられる。そして、この検出出力端 4 1より、外部磁界に対応した検出出力信号が出力される。

外部磁界と負帰還電流による起磁力とのバランスは、コイル 2のアンペアターンが変わらない限り、変化しない。従って、本実施の形態に係る電流センサ装置は、感度ばらつきが僅少で、リニアリティが極めてよく、温度や電源電圧等の変化に対して非常に安定である。また、大振幅励振法によりオフセットは原理的にゼロであり、外乱によるドリフトもない。

以下、実際に製造した電流センサ装置の具体的な一例について説明する。この例では、磁気ヨーク 6 2として、 M n— Z n系フェライトで形成されたトロイダルコアを用いた。磁気ヨーク 6 2の形状は、外径 2 0 mm、内径 1 0 mm、厚さ 5 mmで、幅 8 mmのギャップを有するものとした。電流センサ装置の全体形状は、 2 0 mm X 3 5 mm x 6 mmと極めて小さくすることができた。この電流センサ装置は、 ± 5 Vの電源で動作し、測定電流ゼロのとき、消費電流は + 2 7 m A、一 2 m Aであった。また、この電流センサ装置では、負帰還電流による消費電流増加は、測定電流 1 O Aあたり 5 m Aであった。また、この電流センサ装置の重量は 1 0 gであった。

第 1 2図は、磁気ヨーク 6 2の内側に配置された導電部 6 1を通過する被測定電流と、電流センサ装置の出力電圧との関係の一例を示したものである。この図に示したように、本実施の形態に係る電流センサ装置によれば、極めて広い電流値の範囲でリニアで良好な出力電圧特性を得ることができる。なお、第 1 2図は、第 1 1図には示していないオフセットバイアスを与えた場合における出力特性を表している。

以上説明したように、本実施の形態に係る電流センサ装置によれば、負帰還法を用いながら負帰還電流による消費電流の増加を最小限に抑えることができ、発熱等の問題を生じることがなく、産業上、特に電気自動車や太陽光発電の直流電流の制御に貢献することができる。

また、本実施の形態によれば、共振回路の共振電流をコイル 2に供給するようにしたので、磁芯 1が飽和領域に達するような交流電流をコイル 2に容易に供給することができる。また、磁芯 1に、コイル 2の他に、励磁用のコイルを巻回する必要がないので、構成が簡単である。

また、本実施の形態によれば、コイル 2に対して交流的に並列に接続された帰還電流経路用コイル 6を経由して、コイル 2に負帰還法のための負帰還電流を供給するようにしたので、共振電流の損失なく、コイル 2に帰還電流を容易に供給することができる。

また、本実施の形態によれば、共振回路に対して検出用コイル 2 0を挿入することによって、共振回路の Q値を下げず、すなわち、コイル 2に供給する共振電流の不足を生じることなく、ポルトオーダーの検出出力を簡単に得ることができる。また、ピークホールド回路も、ダイオードとコンデンサを用いた簡単で安価な回路を使用できる。なお、検出用コイル 2 0は、そのインダクタンス値がコィル 2のインダクタンス値の数％でも、十分大きな出力を得ることができる。従つて、検出用コイル 2 0は、巻数が少なく、通常、飽和電流値は十分大きいので、コイル 2の駆動電流（共振電流）によって飽和することはない。

これらの技術により、フェライト磁芯等の飽和磁界が大きく、非線形性の大きな磁芯を用いながら、大振幅法や負帰還法を適用することが可能となり、大きな磁界または大きな電流の検出にフラックスゲート素子を用いることが可能になる以下、負帰還電流の増加を抑えることができるという特徴の他に、本実施の形態に係る電流センサ装置が有する特徴を列記する。

( 1 ) 負帰還法を用いることができるので、感度ばらつきや温度特性を、自動的に改善することができる。

( 2 ) 従って、感度調整や温度特性補正が不要である。

( 3 ) また、オフセット調整も不要である。

( 4 ) 大振幅励振法を用いることができるので、特性が良い。

( 5 ) センサ部に特殊な工法を必要としない。

( 6 ) 共振電流を利用するので、低い電源電圧、高い周波数でセンサコイルを駆動することができる。

( 7 ) 何らの特殊な材料や特殊な工法を用いることなく製造でき、回路も非常に簡単であるので、きわめて安価に製造することができ、大量の需要に応えることが可能である。

( 8 ) 周波数応答性が良い。

( 9 ) 共振電流を利用するので、消費電力が少ない。

( 1 0 ) 構成が簡単なので、小型軽量である。

なお、第 1 1図に示した電流センサ装置における磁気センサ素子として、第',⁷ の実施の形態に係る磁気センサ素子を用いてもよい。また、磁芯の形状は、第 6 または第 7の実施の形態で示した形状に限らず、印加される被測定磁界に対する反磁界係数とコイルが発生する磁界に対する反磁界係数とが異なるような形状であればよい。

また、第 8の実施の形態では、発振回路としてクラップ発振回路を例にとって説明したが、本発明は、これに限らず、コルピッツ発振回路やハートレ一発振回路等の他の発振回路を用いる場合にも適用することができる。

第 6ないし第 8の実施の形態を含む本発明の磁気センサ素子、磁気センサ装置または電流センサ装置によれば、印加される被測定磁界に対する磁芯の反磁界係数とコイルが発生する磁界に対する磁芯の反磁界係数とが異なることから、コィルに負帰還電流を供給する場合に、 2つの反磁界係数が等しい場合と比較して負帰還電流を変えることが可能になり、容易に磁界または電流の測定範囲を広げることが可能になる。

また、印加される被測定磁界に対する磁芯の反磁界係数を、コイルが発生する磁界に対する磁芯の反磁界係数よりも大きくした場合には、コイルに負帰還電流を供給する場合に、 2つの反磁界係数が等しい場合と比較して負帰還電流を小さくすることが可能になり、容易に大きな磁界または電流を測定することが可能になる。

以上の説明に基づき、本発明の種々の態様や変形例を実施可能であることは明らかである。従って、以下の請求の範囲の均等の範囲において、上記の最良の形態以外の形態でも本発明を実施することが可能である。

Claims

請求の範囲

1 . 被測定磁界に対応して印加される磁界に応じた信号を出力する磁気検出部と、

前記磁気検出部の出力を前記磁気検出部に負帰還するための負帰還磁界を発生する負帰還手段と、

を備えたことを特徴とする磁気センサ装置。

2 . 前記磁性体は、前記磁気検出部を収納する空洞を有し、前記磁気検出部の周囲に設けられ、

前記磁気検出部は、前記磁性体の前記空洞内に収納されている

ことを特徴とする請求の範囲第 1項記載の磁気センサ装置。

3 . 前記磁気検出部は、磁芯と、前記磁芯に巻回された、前記被測定磁界を検出するためのコイルとを有し、

前記磁性体は、前記磁気検出部の一部をなす前記磁芯であることを特徴とする請求の範囲第 1項記載の磁気センサ装置。

4 . 被測定磁界に対応して印加される磁界に応じた信号を出力する磁気検出部と、

前記磁気検出部を収納する空洞を有する磁性体と

を備え、

前記磁気検出部は、前記磁性体の前記空洞内に収納され、

前記磁性体の形状に依存する第 1の反磁界係数と前記空洞の形状に依存する第 2の反磁界係数との少なくとも一方に基づいて、前記被測定磁界と前記磁気検出部に印加される磁界との比が所定の値に設定されていることを特徴とする磁気センサ装置。

5 . 前記空洞は、前記被測定磁界による磁束の通過方向と交差する方向に向けて開口する開口部を有することを特徴とする請求の範囲第 4項記載の磁気センサ

6 . 前記磁気検出部は、検出感度に関して高感度方向を有し、高感度方向と前記被測定磁界による磁束の通過方向とがー致するように前記空洞内に配置されていることを特徴とする請求の範囲第 4項記載の磁気センサ装置。

7 . 更に、前記磁気検出部に対して、前記磁気検出部の出力を負帰還するための負帰還磁界を印加する負帰還磁界印加手段を備えたことを特徴とする請求の範囲第 4項記載の磁気センサ装置。

8 . 前記被測定磁界に対する前記磁性体の反磁界係数と前記負帰還磁界に対する前記磁性体の反磁界係数とが異なるように、前記負帰還磁界印加手段は前記空洞内に設けられていることを特徴とする請求の範囲第 7項記載の磁気センサ装置 <

9 . 更に、前記磁気検出部に、前記被測定磁界に対する前記磁気検出部の特性を制御するために用いられる基準交流磁界を印加する基準磁界印加手段を備えたことを特徴とする請求の範囲第 4項記載の磁気センサ装置。

1 0 . 前記基準磁界印加手段は、前記磁性体の外部に設けられていることを特徴とする請求の範囲第 9項記載の磁気センサ装置。

1 1 . 磁芯と、前記磁芯に巻回された、印加される被測定磁界を検出するためのコイルとを有するフラックスゲート磁気センサ素子と、

前記コイルのィンダクタンスの変化を検出することにより被測定磁界を検出する検出手段と

を備え、

前記磁芯は、前記被測定磁界に対する反磁界係数と前記コイルが発生する磁界に対する反磁界係数とが異なるような形状を有することを特徴とする磁気センサ

1 2 . 前記磁芯は、前記被測定磁界に対する反磁界係数が、前記コイルが発生する磁界に対する反磁界係数よりも大きくなるような形状を有することを特徴とする請求の範囲第 1 1項記載の磁気センサ装置。

1 3 . 前記磁芯は、前記被測定磁界と前記コイルが発生する磁界のいずれに関しても開磁路を形成する形状を有することを特徴とする請求の範囲第 1 1項記載の磁気センサ装置。

1 4 . 前記磁芯は、前記被測定磁界に関しては開磁路を形成し、前記コイルが発生する磁界に関しては閉磁路を形成する形状を有することを特徴とする請求の範囲第 1 1項記載の磁気センサ装置。

1 5 . 更に、前記コイルに、前記検出手段の出力を負帰還するための負帰還電流を供給することによって、前記コイルより、前記検出手段の出力を負帰還するための負帰還磁界を発生させる負帰還手段を備えたことを特徴とする請求の範囲第 1 1項記載の磁気センサ装置。

1 6 . 被測定電流によって発生する被測定磁界を測定することによって被測定電流を測定する電流センサ装置であって、

を備えたことを特徴とする電流センサ装置。

1 7 . 前記磁性体は、前記磁気検出部を収納する空洞を有し、前記磁気検出部の周囲に設けられ、

ことを特徴とする請求の範囲第 1 6項記載の電流センサ装置。

1 8 . 前記磁気検出部は、磁芯と、前記磁芯に巻回された、前記被測定磁界を検出するためのコイルとを有し、

前記磁性体は、前記磁気検出部の一部をなす前記磁芯であることを特徴とする請求の範囲第 1 6項記載の電流センサ装置。

1 9 . 被測定電流によって発生する被測定磁界を測定することによって被測定電流を測定する電流センサ装置であって、

を備え、前記磁気検出部は、前記磁性体の前記空洞内に収納され、前記磁性体の形状に依存する第 1の反磁界係数と前記空洞の形状に依存する第 2の反磁界係数との少なくとも一方に基づいて、前記被測定磁界と前記磁気検出部に印加される磁界との比が所定の値に設定されていることを特徴とする電流センサ装置。

2 0 . 前記空洞は、前記被測定磁界による磁束の通過方向と交差する方向に向けて開口する開口部を有することを特徴とする請求の範囲第 1 9項記載の電流センサ装置。

2 1 . 前記磁気検出部は、検出感度に関して高感度方向を有し、高感度方向と前記被測定磁界による磁束の通過方向とがー致するように前記空洞内に配置されていることを特徴とする請求の範囲第 1 9項記載の電流センサ装置。

2 2 . 更に、前記磁気検出部に対して、前記磁気検出部の出力を負帰還するための負帰還磁界を印加する負帰還磁界印加手段を備えたことを特徴とする請求の範囲第 1 9項記載の電流センサ装置。

2 3 . 前記被測定磁界に対する前記磁性体の反磁界係数と前記負帰還磁界に対する前記磁性体の反磁界係数とが異なるように、前記負帰還磁界印加手段は前記空洞内に設けられていることを特徴とする請求の範囲第 2 2項記載の電流センサ装置。

2 4 . 更に、前記磁気検出部に、前記被測定磁界に対する前記磁気検出部の特性を制御するために用いられる基準交流磁界を印加する基準磁界印加手段を備えたことを特徴とする請求の範囲第 1 9項記載の電流センサ装置。

2 5 . 前記基準磁界印加手段は、前記磁性体の外部に設けられていることを特徴とする請求の範囲第 2 4項記載の電流センサ装置。

2 6 . 被測定電流によって発生する被測定磁界を測定することによって被測定電流を測定する電流センサ装置であって、

前記コイルのィンダクタンスの変化を検出することにより被測定磁界を検出する検出手段とを備え、

前記磁芯は、前記被測定磁界に対する反磁界係数と前記コイルが発生する磁界に対する反磁界係数とが異なるような形状を有することを特徴とする電流センサ装置。

2 7 . 前記磁芯は、前記被測定磁界に対する反磁界係数が、前記コイルが発生する磁界に対する反磁界係数よりも大きくなるような形状を有することを特徴とする請求の範囲第 2 6項記載の電流センサ装置。

2 8 . 前記磁芯は、前記被測定磁界と前記コイルが発生する磁界のいずれに関しても開磁路を形成する形状を有することを特徴とする請求の範囲第 2 6項記載の電流センサ装置。

2 9 . 前記磁芯は、前記被測定磁界に関しては開磁路を形成し、前記コイルが発生する磁界に関しては閉磁路を形成する形状を有することを特徴とする請求の範囲第 2 6項記載の電流センサ装置。

3 0 . 更に、前記コイルに、前記検出手段の出力を負帰還するための負帰還電流を供給することによって、前記コイルより、前記検出手段の出力を負帰還するための負帰還磁界を発生させる負帰還手段を備えたことを特徴とする請求の範囲第

2 6項記載の電流センサ装置。

3 1 . 磁芯と、前記磁芯に巻回された、印加される被測定磁界を検出するためのコイルとを備えたフラックスゲート磁気センサ素子であって、

前記磁芯は、前記被測定磁界に対する反磁界係数と前記コイルが発生する磁界に対する反磁界係数とが異なるような形状を有することを特徴とする磁気センサ素子。

3 2 . 前記磁芯は、前記被測定磁界に対する反磁界係数が、前記コイルが発生する磁界に対する反磁界係数よりも大きくなるような形状を有することを特徴とする請求の範囲第 3 1項記載の磁気センサ素子。

3 3 . 前記磁芯は、前記被測定磁界と前記コイルが発生する磁界のいずれに関しても開磁路を形成する形状を有することを特徴とする請求の範囲第 3 1項記載の磁気センサ素子。

3 4 . 前記磁芯は、前記被測定磁界に関しては開磁路を形成し、前記コイルが発生する磁界に関しては閉磁路を形成する形状を有することを特徴とする請求の範囲第 3 1項記載の磁気センサ素子。