WO2012070337A1 - 電流センサ - Google Patents

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large current
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蛇口　広行
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アルプス・グリーンデバイス株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/20—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, i.e. measuring a magnetic field via the interaction between a current and a magnetic field, e.g. magneto resistive or Hall effect devices
    • G01R15/205—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, i.e. measuring a magnetic field via the interaction between a current and a magnetic field, e.g. magneto resistive or Hall effect devices using magneto-resistance devices, e.g. field plates

Definitions

  • the present invention relates to a current sensor for measuring a current for driving a motor, a current supplied from a battery, a current for driving various electric devices, and the like.
  • a current sensor provided with a magnetic detection element such as a Hall element has been used to measure a current for driving a motor in an electric vehicle or a hybrid vehicle.
  • a magnetic detection element such as a Hall element
  • the measurement range is limited with one Hall element, it is difficult to measure a wide range from a small current to a large current with one current sensor. Therefore, in order to widen the measurement range, as disclosed in Patent Document 1, a configuration in which a magnetic detection element for small current and a magnetic detection element for large current are provided and used by switching them has been proposed.
  • the magnetic detection element for small current usually needs to have a high sensitivity, and for example, a GMR element is used.
  • a GMR element is used as a magnetic detection element for small current, once a large current flows through the path to be measured, hysteresis is generated in the GMR element due to a strong magnetic field generated from the large current. In some cases, there is a problem that accurate measurement cannot be performed.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a current sensor that can widen the measurement range and has high measurement accuracy.
  • the present invention includes a small current measuring device and a large current measuring device that measure a current to be measured flowing through a current path, and switches between the small current measuring device and the large current measuring device using a predetermined measured current value as a threshold value.
  • the small current measuring device has a magnetoresistive effect element for small current with a low saturation magnetic flux density due to the measured current and high measurement sensitivity with respect to the measured current
  • the large current measuring device is A high-current sensor element having a high saturation magnetic flux density due to the current to be measured and a low measurement sensitivity with respect to the current to be measured, and measuring a current value measured by the small current meter based on a current measured by the large current meter Correction means was provided for correction. For this reason, even if a magnetoresistive element is used for the measurement for a small current, the offset due to the influence of the hysteresis can be corrected, so that a wide range of current sensors can be provided with high accuracy.
  • the sensor element for large current is a magnetoresistive effect element
  • the sensor element for large current has a distance from the current path between the magnetoresistive effect element for small current and the current path. It can be arranged to be separated from the distance. For this reason, even if the same magnetoresistance effect element is used as the sensor element of the large current measuring device and the small current measuring device, hysteresis can be prevented from occurring in the large current sensor element, and a wide range of current sensors can be obtained with high accuracy. Can be provided.
  • the sensor element for large current is a magnetoresistive effect element, and a magnetic shield is disposed between the sensor element for large current and the current path so as to be sensitive to the magnetoresistive effect element. Can be lowered. For this reason, even if the same magnetoresistance effect element is used as the sensor element of the large current measuring device and the small current measuring device, hysteresis can be prevented from occurring in the large current sensor element, and a wide range of current sensors can be obtained with high accuracy. Can be provided.
  • the high-current sensor element of the present invention is a magnetoresistive element, and is a hard bias in a direction opposite to the direction of the magnetic field of the current to be measured flowing through the current path with respect to the large-current magnetoresistive element Can be applied to reduce the sensitivity to the magnetoresistive element for large current. For this reason, hysteresis can be prevented from occurring in the sensor element for large current, and a wide range of current sensors can be provided with high accuracy.
  • the high-current sensor element of the present invention can be a Hall element that does not have a magnetic core. For this reason, since hysteresis does not occur in the sensor element for large current, it is possible to provide a wide range of current sensors with high accuracy.
  • the high-current sensor element of the present invention can be a shunt resistor. For this reason, since hysteresis does not occur in the sensor element for large current, it is possible to provide a wide range of current sensors with high accuracy.
  • the present invention has an overlap region partially overlapping the measurement region of the magnetoresistive effect element for small current and the measurement region of the sensor element for large current of the present invention, the correction means in the overlap region
  • the correction value can be obtained from the difference between the measurement value obtained by the small current measuring device and the measurement value obtained by the large current measuring device. For this reason, since the offset can be corrected by a plurality of data in the overlap region, it is possible to provide a wide range of current sensors with high accuracy.
  • the large current measuring device of the present invention is provided with a first amplifier that amplifies the output of the large current sensor element, and the small current measuring device includes the small current magnetoresistive effect element.
  • a second amplifier for amplifying the output of the first amplifier is provided, and the first amplifier and the second amplifier can be configured by a class B push-pull amplifier circuit. For this reason, the dynamic range of the amplifier can be expanded, and the range of current values with low linearity can be narrowed by using a small current element with high sensitivity in the vicinity of (0A). Can be provided.
  • the present invention since a large current measuring device and a small current measuring device are provided, it is possible to measure from a small current to a large current and to widen the measurement range. Moreover, even if the magnetoresistive effect element constituting the small current measuring instrument is affected by the hysteresis due to the large current, the offset value can be corrected by the correcting means, and the measurement accuracy can be improved.
  • the current sensor includes a large current measuring device 1 and a small current measuring device 2 and processes signals output from the large current measuring device 1 and the small current measuring device 2 to send data to a circuit that evaluates the remaining battery level.
  • a signal processing device 3 for outputting is provided.
  • the large current measuring instrument 1 is composed of, for example, a large current sensor element 4 composed of a GMR (Giant Magneto Resistive) element and the like, and a first amplifier 5 for amplifying a signal output from the large current sensor element 4.
  • the sensor element 4 for large current is disposed at a distance from the current path 6 so as to be suitable for measuring a large current of 0.5 A to 1500 A, for example, and the saturation magnetic flux density due to the current to be measured is increased. I am doing so.
  • the high current sensor element 4 of the large current measuring device 1 has low measurement sensitivity with respect to the current to be measured flowing through the current path 6 and is suitable for measuring a small current of 0.5 A or less. It ’s gone.
  • the high-current sensor element 4 forms a bridge circuit and outputs a voltage with respect to the current to be measured.
  • the large current measuring device 1 may be constituted by a half-bridge circuit, and a system such as a magnetic proportional type or a magnetic balance type may be used.
  • the small current measuring device 2 includes a second amplifier 8 for amplifying a signal output from the magnetoresistive element 7 for small current made of a GMR element or the like. Contrary to the sensor element 4 for large current, the magnetoresistive element 7 for small current is set to have high measurement sensitivity with respect to the current to be measured flowing through the current path 6 and is suitable for measuring small currents (1 mA to 1 A). It has become. However, since the magnetoresistive effect element 7 for small current of the small current measuring device 2 has a low saturation magnetic flux density due to the current to be measured flowing through the current path 6, it is influenced by hysteresis after a large current flows through the current path 6. Since an offset occurs, it is necessary to correct by the correction processor 13.
  • the small current measuring device 1 may be constituted by a half-bridge circuit, and a system such as a magnetic proportional type or a magnetic balance type may be used.
  • FIG. 2 shows the arrangement of the large current sensor element 4 constituting the large current measuring instrument 1 and the small current magnetoresistive effect element 7 constituting the small current measuring instrument 2 with respect to the current path 6.
  • the large current sensor element 4 is located at a position far from the current path 6, and the small current magnetoresistive element 7 is arranged at a position near the current path 6.
  • the high current sensor element 4 of the large current measuring device 1 is set so that the saturation magnetic flux density is sufficiently high so as not to be saturated by the current to be measured flowing through the current path 6 so that hysteresis and offset due to hysteresis do not occur.
  • the small current magnetoresistive effect element 7 of the small current measuring device 2 is set so as to have high measurement sensitivity as described above and suitable for small current measurement.
  • the measurement range of the large current measuring device 1 and the measurement range of the small current measuring device 2 include an overlap region A (0.5 A to 1 A) and an overlap region B ( ⁇ 1 A to — 0.5A) is set.
  • the overlap regions A and B the magnetic flux density of the large current sensor element 4 constituting the large current measuring device 1 and the small current magnetoresistive effect element 7 constituting the small current measuring device 2 is saturated. Absent.
  • a correct value can be measured by the large current sensor element 4, but the small current magnetoresistive effect element 7 constituting the small current measuring device 2 is offset from the correct value due to the influence of hysteresis.
  • the difference between the measured values of the large-current sensor element 4 constituting the large-current measuring device 1 and the small-current magnetoresistive effect element 7 constituting the small-current measuring device 2 in the overlap regions A and B is described.
  • a current measurement value in a small current region where the absolute value of the current is smaller than the overlap regions A and B is calculated from the correction value ⁇ calculated from the average.
  • the signal processing device 3 includes a range discriminator 9, an output switching device 10, a correction amount calculator 11, a memory 12, and a correction processor 13.
  • the range discriminator 9 determines whether the measured current value is within the overlap areas A and B, outside the overlap areas A and B, or outside the overlap areas A and B. This is a function for discriminating whether it is in the current region or the small current region.
  • the output switcher 10 is a function for switching the output based on the determination of the range determiner 9.
  • the memory 12 stores, in the overlap regions A and B, the value measured by the large current measuring instrument 1, the value measured by the small current measuring instrument 2, and the correction value ⁇ calculated therefrom. Is.
  • the correction amount calculator 11 is a function for calculating a correction value based on the value measured by the large current measuring device 1 and the value measured by the small current measuring device 2 in the overlap regions A and B.
  • the value measured by the large current measuring instrument 1, the value measured by the small current measuring instrument 2, and the calculated correction value are stored in the memory 12.
  • the correction processor 13 is a value measured by the small current measuring device 2 based on the correction value obtained by the correction amount calculator 11 in a minute current region where the measured current value is outside the detectable region of the large current measuring device 1. Correct.
  • the flowchart shown in FIG. 5 starts when, for example, a current of 100 A or more once flows in the current path and the magnetic flux density of the small current magnetoresistive element 7 constituting the small current measuring device 2 is saturated. To do.
  • the current in the current path 6 is measured by the large current measuring device 1 and the small current measuring device 2 (51).
  • the value measured by the large current measuring device 1 is J (t)
  • the value measured by the small current measuring device 2 is j (t).
  • the absolute value of the measured value J (t) is smaller than I2
  • (54) corresponds to the range discriminator 9 described above.
  • the measured value J (t) of the large current measuring instrument 1 is output as the output value I. (55) and the measured value J (t) of the large current measuring device 1 and the measured value j (t) of the small current measuring device 2 are stored in the memory 12 (56).
  • the correction value ⁇ is added to the measurement value j (t) measured by the small current measuring instrument 2, and the value is output as the output value I (58).
  • FIG. 6 is another example of the flowchart shown in FIG.
  • the parts denoted by the same reference numerals as those in FIG. 5 are the same as those in FIG.
  • the flowchart of FIG. 6 when the absolute value of the measurement value J (t) is equal to or greater than I2, after the output value I is output (53), the presence or absence of the measurement value stored in the memory is determined by the flag “M”. (59). If the flag “M” is 1, it is determined that there is a measurement value stored in the memory, and J (t) and j (t) are deleted (60).
  • the reason for deleting the measurement value stored in the memory is that if the absolute value of the measurement value J (t) is equal to or greater than I2, the GMR element 7 of the low-power measuring instrument 2 may be saturated and the amount of offset may change. This is because the measured values J (t) and j (t) before the offset amount changes cannot be used for calculating the correction value ⁇ .
  • the flag “M” is set to 0 (61). The reason why the flag “M” is used is to reduce the load on the signal processing device 3 by checking whether or not there are a plurality of J (t) and j (t) stored in the memory. On the other hand, when the flag “M” is not 1, the measurement values stored in the memory have been erased, and thus steps 60 and 61 are omitted.
  • the flag “M” is set to 1 (62), and the flag “N” is set to 0.
  • the flag “M” is a flag indicating the presence / absence of J (t) and j (t) stored in the memory
  • the flag “N” is the latest correction value ⁇ as described later. It is a flag indicating whether it is calculated.
  • the correction value ⁇ is calculated with the latest data.
  • the output value I is output using the already calculated correction value ⁇ (58). If the flag “N” is not 1, it is determined that the correction value ⁇ is not calculated with the latest data, and a plurality of measurement values J (t) and measurement values j (t) stored in the memory 12 are read out. The average value of each difference (J (t) -j (t)) is calculated (57). Thereafter, the flag “N” is set to 1 (65). The reason for using the flag “N” is to reduce the load on the signal processing device 3 by preventing the same calculation from being repeated.
  • FIG. 3 is a graph showing a hysteresis loop of the magnetoresistive effect element 7 for small current constituting the small current measuring device 2.
  • the horizontal axis represents the magnetic field (H) applied to the small current magnetoresistance effect element 7, and the vertical axis represents the magnetic flux density (B) of the small current magnetoresistance effect element 7.
  • the relationship between the magnetic field (H) and the magnetic flux density (B) is proportional starting from 0 (30 in FIG. 3).
  • the magnetic field (H) applied to the small current magnetoresistance effect element 7 increases in the positive direction, and the magnetic flux density (B) of the small current magnetoresistance effect element 7 is once saturated (31 in FIG. 3).
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the measured current value and the output current value in the current sensor of the first embodiment.
  • J (t) indicates a measurement value measured by the large current measuring device 1, and the magnetic flux density of the large current sensor element 4 constituting the large current measuring device 1 is saturated by the applied magnetic field. Since there is no such thing, it always becomes a straight line, and the measured current value becomes the output current value as it is.
  • the absolute value is less than or equal to the set value I1
  • the measurement sensitivity of the high-current sensor element 4 is low, so that it cannot be measured by the high-current measuring instrument 1 (actually, the value of I1 has a margin).
  • I1 can also be measured by the large current measuring instrument 1).
  • j (t) indicates a measurement value measured by the small current measuring device 2, and hysteresis is generated once the magnetic flux density is saturated as shown in the graph of FIG. 3, so that the overlap regions A, B, An offset value that needs to be corrected occurs when I1 ⁇
  • the correction value ⁇ is obtained from the average of the difference between the measurement value J (t) measured by the large current measuring device 1 and the measurement value j (t) measured by the small current measuring device 2. Is calculated, and j (t) in the region I1 ⁇
  • the small current magnetoresistive element 4 constituting the small current measuring device 2 has a hysteresis due to the large current. Even if it is affected, the offset value can be corrected by the correction amount calculator 11 and the correction processor 13, and the measurement accuracy can be improved.
  • a magnetoresistive effect element is used for both the large current sensor element 4 and the small current magnetoresistive effect element 7, and the distance between the current path 6 and the large current sensor element 4 is set to the current path 6 and the small current magnetoresistance element. By making it longer than the distance to the effect element 7, it is possible to measure a large current and a small current. Therefore, the present invention can be realized with a simple structure by the same sensor element.
  • the present invention is not limited to the first embodiment described above.
  • the present invention can be modified as follows, and these embodiments also belong to the technical scope of the present invention.
  • a magnetoresistive effect element is used for both the large current sensor element 4 and the small current magnetoresistive effect element 7, and a magnetic shield is disposed between the large current sensor element 4 and the current path to provide a large current.
  • the sensitivity of the sensor element 4 may be configured to be lower than the sensitivity of the magnetoresistive effect element 7 for measuring a small current.
  • the measurement range can be expanded and the measurement accuracy can be increased.
  • the distance between the large current sensor element 4 and the small current magnetoresistive element 7 with respect to the current path 6 may be the same, assembly is facilitated.
  • the sensitivity of the large current sensor element 4 is reduced to the small current magnetic resistance.
  • the sensitivity may be lower than that of the effect element 7.
  • the measurement range can be expanded and the measurement accuracy can be increased.
  • the distance between the large current sensor element 4 and the small current magnetoresistive element 7 with respect to the current path 6 may be the same, assembly is facilitated.
  • the Hall element which does not have a magnetic core may be sufficient as the sensor element 4 for large currents.
  • the measurement range can be expanded and the measurement accuracy can be increased.
  • an inexpensive Hall element can be used without using an expensive magnetoresistive element, the cost can be reduced.
  • the Hall element having a magnetic core is one that compensates for the sensitivity of the Hall element and is expensive and has hysteresis due to the magnetic core. In this example, however, the Hall element is used as the sensor element 4 for large current. It is not necessary to compensate for the sensitivity of the element, it is possible to use a Hall element having no magnetic core, there is no hysteresis due to the core, and the cost can be reduced.
  • a shunt resistor may be used as the sensor element 4 for large current.
  • the measurement range can be expanded and the measurement accuracy can be increased.
  • an inexpensive shunt resistor can be used without using an expensive magnetoresistive element, the cost can be reduced.
  • the resistance value of the shunt resistor can be made sufficiently small and heat generation can be suppressed.
  • the shunt resistor has no hysteresis, the measurement value of the magnetoresistive element for small current 7 can be corrected correctly, so that the measurement accuracy can be increased.
  • Transistors are combined as the first amplifier 5 and the second amplifier 8 for amplifying the voltage output from the sensor element 4 for large current and the voltage output from the magnetoresistive effect element 7 for small current. It may be configured by a class B push-pull amplifier circuit.
  • a class B push-pull amplifier circuit When using a class B push-pull amplifier circuit, the output value for an input near 0V or 0A is usually distorted, making accurate measurement difficult, but combining with a magnetoresistive element with high sensitivity for small currents, class B push-pull amplification Even when the circuit is used, the linearity of the output value with respect to the input near 0 V or 0 A can be maintained, and the measurement range can be widened and the measurement accuracy can be increased as in the first embodiment. In particular, even when an inexpensive and simple class B push-pull amplifier circuit is used, the measurement accuracy with respect to a minute current can be increased. When the circuit scale can be increased, operational amplifiers can be used as the first amplifier 5 and the second amplifier 8.
  • the elements constituting the large current sensor element 4 and the small current magnetoresistive element 7 may be an AMR (Anisotropic Magneto Resistive) element or a TMR (Tunneling Magneto Resistive) element in addition to the GMR element. Good.

Abstract

　電流値に応じて２つのセンサを切り換えて測定する電流センサにおいて、小電流用に測定精度が高い磁気抵抗効果素子を用いても、ヒステリシスの影響によるオフセットを補正して、高精度でかつ広範囲の測定を可能とする。電流路（６）を流れる被測定電流を測定する大電流測定器（１）と小電流測定器（２）とを備え、大電流測定器（１）と小電流測定器（２）とを所定の測定電流値を閾値にして切り替える電流センサ装置において、小電流測定器（２）による測定電流値を大電流測定器（１）による測定電流値に基づいて補正する補正量算出器（１１）と補正処理器（１３）を設ける。

Description

電流センサ
　本発明は、モータを駆動するための電流やバッテリーから供給される電流、さらには、各種電気機器を駆動するための電流等を測定するための電流センサに関する。
　従来、電気自動車やハイブリッド車におけるモータ駆動用の電流を測定するためにホール素子等の磁気検出素子を備えた電流センサが用いられている。しかし、１個のホール素子では測定範囲が限られるため１つの電流センサで小電流から大電流までの広い範囲を測定することは難しかった。そこで、測定範囲を広げるために、特許文献１に開示されるように小電流用の磁気検出素子と大電流用の磁気検出素子を備え、それを切り替えて使う構成が提案されている。
特開２００７－７８４１７号公報
　小電流用の磁気検出素子には、通常感度の高いものが必要であり、例えばＧＭＲ素子が用いられる。しかしながら、小電流用の磁気検出素子にＧＭＲ素子を用いた場合、一旦、被測定路に大電流が流れるとそこから発生する強力な磁界によってＧＭＲ素子にヒステリシスが発生するため、小電流を測定する際に正確な測定ができなくなるという問題が発生する。
　本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、測定範囲を広げることができ、かつ測定精度の高い電流センサを提供するところにある。
　本発明は、電流路を流れる被測定電流を測定する小電流測定器と大電流測定器とを備え、前記小電流測定器と前記大電流測定器とを所定の測定電流値を閾値にして切り替える電流センサ装置において、前記小電流測定器は、前記被測定電流による飽和磁束密度が低くかつ前記被測定電流に対する測定感度の高い小電流用磁気抵抗効果素子を有し、前記大電流測定器は、前記被測定電流による飽和磁束密度が高くかつ前記被測定電流に対する測定感度が低い大電流用センサ素子を有し、前記小電流測定器による測定電流値を前記大電流測定器による測定電流値に基づいて補正する補正手段を設けた。この為、小電流用の測定に磁気抵抗素子を用いても、ヒステリシスの影響によるオフセットを補正できるので、高精度でかつ広範囲の電流センサを提供することができる。
　また、本発明における前記大電流用センサ素子は、磁気抵抗効果素子であって、前記大電流用センサ素子は、前記電流路に対する距離が、前記小電流用磁気抵抗効果素子と前記電流路との距離よりも離れて配置されるようにすることができる。この為、大電流測定器と小電流測定器とのセンサ素子として同じ磁気抗効果素子を用いても、大電流用センサ素子にヒステリシスが生じないようにでき、高精度でかつ広範囲の電流センサを提供することができる。
　また、本発明の前記大電流用センサ素子は、磁気抵抗効果素子であって、前記大電流用センサ素子と前記電流路との間に磁気シールドを配設して、前記磁気抵抗効果素子に対する感度を低めることができる。この為、大電流測定器と小電流測定器とのセンサ素子として同じ磁気抗効果素子を用いても、大電流用センサ素子にヒステリシスが生じないようにでき、高精度でかつ広範囲の電流センサを提供することができる。
　また、本発明の前記大電流用センサ素子は、磁気抵抗効果素子であって、前記大電流用磁気抵抗効果素子に対して前記電流路を流れる被測定電流の磁界の向きに抗う方向のハードバイアスを印加して、前記大電流用磁気抵抗効果素子に対する感度を低めることができる。この為、大電流用センサ素子にヒステリシスが生じないようにでき、高精度でかつ広範囲の電流センサを提供することができる。
　また、本発明の前記大電流用センサ素子は、磁気コアを有さないホール素子とすることができる。この為、大電流用センサ素子にヒステリシスが生じないため、高精度でかつ広範囲の電流センサを提供することができる。
　また、本発明の前記大電流用センサ素子は、シャント抵抗とすることができる。この為、大電流用センサ素子にヒステリシスが生じないため、高精度でかつ広範囲の電流センサを提供することができる。
　また、本発明の前記小電流用磁気抵抗効果素子の測定領域と前記大電流用センサ素子の測定領域とに一部が重複するオーバーラップ領域を有し、前記補正手段は、前記オーバーラップ領域における前記小電流測定器による測定値と前記大電流測定器による測定値の差から補正値を求めることができる。この為、オーバーラップ領域における複数のデータにより、オフセットを補正できるので、高精度でかつ広範囲の電流センサを提供することができる。
　また、本発明の前記大電流測定器には、前記大電流用センサ素子の出力を増幅する第１の増幅器が設けられており、前記小電流測定器には、前記小電流用磁気抵抗効果素子の出力を増幅する第２の増幅器が設けられており、前記第１の増幅器及び前記第２の増幅器は、Ｂ級プッシュプル増幅回路から構成することができる。この為、増幅器のダイナミックレンジを広げられ、かつ、（０Ａ）付近で感度の高い小電流用素子を使うことにより、線形性の低い電流値の範囲を狭くでき、高精度でかつ広範囲の電流センサを提供することができる。
　本発明によれば、大電流測定器と小電流測定器を設けたので小電流から大電流まで測定することができ測定範囲を広げることができる。しかも、小電流測定器を構成する磁気抵抗効果素子が大電流によるヒステリシスの影響を受けてもそれによるオフセット値を補正手段で補正することができ、測定精度を高めることができる。
本実施形態（第１実施形態）のブロック図を示す図である。 同実施形態（第１実施形態）の大電流センサと小電流センサの電流路からの位置関係を示す側面図である。 同実施形態（第１実施形態）の小電流用磁気抵抗素子における磁界と磁束密度のヒステリシスを示すグラフである。 同実施形態（第１実施形態）の被測定電流と検出電流の関係を示すグラフである。 同実施形態（第１実施形態）の電流検出過程を示すフローチャート図である。 同実施形態の電流検出過程を示す別のフローチャート図である。
＜第１実施形態＞
　以下、本発明の電流センサを具体化した第１実施形態について図１乃至図５を参照して説明する。
　まずは、本発明の電流センサの構成を図１に基づいて説明する。電流センサは、大電流測定器１と小電流測定器２を備えるとともに大電流測定器１と小電流測定器２から出力される信号を処理して後段のバッテリー残量を評価する回路へデータを出力する信号処理装置３を備えて構成される。
　大電流測定器１は、例えば、ＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ　Ｍａｇｎｅｔｏ　Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）素子等からなる大電流用センサ素子４と大電流用センサ素子４から出力される信号を増幅するための第１の増幅器５から構成される。大電流用センサ素子４は、例えば０．５Ａ～１５００Ａの大電流の測定に適したものになるように、電流路６から距離を離して配置して、被測定電流による飽和磁束密度が高くなるようにしている。但し、飽和磁束密度を高くしたために、大電流測定器１の大電流用センサ素子４は、電流路６を流れる被測定電流に対する測定感度が低くなり、０．５Ａ以下の小電流の測定に向かなくなっている。
　また、大電流用センサ素子４は、図示しないがブリッジ回路を構成し、被測定電流に対する電圧を出力するようになっている。大電流測定器１はハーフブリッジ回路で構成してもよく、また磁気比例式、磁気平衡式などの方式を用いることも可能である。
　小電流測定器２は、ＧＭＲ素子等からなる小電流用磁気抵抗効果素子７から出力される信号を増幅するための第２の増幅器８から構成される。小電流用磁気抵抗効果素子７は、大電流用センサ素子４とは逆に、電流路６を流れる被測定電流に対する測定感度が高く設定されており、小電流（１ｍＡ～１Ａ）の測定に適したものとなっている。但し、小電流測定器２の小電流用磁気抵抗効果素子７は、電流路６を流れる被測定電流による飽和磁束密度が低いため、電流路６に大電流が流れた後は、ヒステリシスの影響によるオフセットが生じるため、補正処理器１３により、補正する必要がある。また、小電流用磁気抵抗効果素子７も大電流用センサ素子４同様、図示しないがブリッジ回路を構成し、被測定電流に対する電圧を出力するようになっている。小電流測定器１はハーフブリッジ回路で構成してもよく、また磁気比例式、磁気平衡式などの方式を用いることも可能である。
　図２に、大電流測定器１を構成する大電流用センサ素子４と小電流測定器２を構成する小電流用磁気抵抗効果素子７の電流路６に対する配置を示す。図示するように、大電流用センサ素子４は電流路６との距離が遠い位置にあり、小電流用磁気抵抗効果素子７は電流路６との距離が近い位置に配置されている。これによって、大電流測定器１の大電流用センサ素子４は、電流路６を流れる被測定電流によって飽和しないように充分飽和磁束密度を高く設定し、ヒステリシス及びヒステリシスによるオフセットが生じないように設定する。一方、小電流測定器２の小電流用磁気抵抗効果素子７は、上述したとおり測定感度が高く、小電流の測定に適したように設定する。
　また、大電流測定器１の測定範囲と小電流測定器２の測定範囲には、後述するグラフに示すようにオーバーラップ領域Ａ（０．５Ａ～１Ａ）、オーバーラップ領域Ｂ（―１Ａ～―０．５Ａ）が設定されている。このオーバーラップ領域Ａ、Ｂにおいては、大電流測定器１を構成する大電流用センサ素子４及び、小電流測定器２を構成する小電流用磁気抵抗効果素子７の磁束密度とも飽和することはない。この時大電流用センサ素子４によって正しい値を測定することができるが、小電流測定器２を構成する小電流用磁気抵抗効果素子７においてはヒステリシスの影響により正しい値からオフセットがかかっている。そして後述するようにこのオーバーラップ領域Ａ、Ｂにおける大電流測定器１を構成する大電流用センサ素子４と小電流測定器２を構成する小電流用磁気抵抗効果素子７の測定値の差の平均から算出した補正値Δから電流の絶対値がオーバーラップ領域Ａ、Ｂより小さな小電流領域における電流測定値を算出する。これにより、ヒステリシスの影響によりオフセットが生じた小電流測定器２の小電流用磁気抵抗効果素子７の電流測定値を正しい値に補正できる。
　信号処理装置３は、レンジ判別器９、出力切替器１０、補正量算出器１１、メモリ１２、補正処理器１３とを備えて構成される。
　レンジ判別器９は、被測定電流値がオーバーラップ領域Ａ、Ｂ内か、オーバーラップ領域Ａ、Ｂ外か、またオーバーラップ領域Ａ、Ｂ外の場合、オーバーラップ領域Ａ、Ｂを挟んで大電流の領域にあるのか小電流の領域にあるのかを判別するための機能である。
　出力切替器１０は、レンジ判別器９の判別に基づき出力を切り替えるための機能である。
　メモリ１２は、オーバーラップ領域Ａ、Ｂにおいて、大電流用測定器１で測定した値と小電流用測定器２で測定した値、及びそれらから算出される補正値Δを保存しておくためのものである。
　補正量算出器１１は、オーバーラップ領域Ａ、Ｂにおける大電流用測定器１で測定された値と小電流用測定器２で測定された値に基づき補正値を算出するための機能であり、大電流用測定器１で測定された値と小電流用測定器２で測定された値及び、算出された補正値はメモリ１２に保存される。
　補正処理器１３は、被測定電流値が大電流用測定器１の検出可能領域外の微小電流域において、上記補正量算出器１１で求めた補正値に基づき小電流測定器２によって測定した値を補正する。
　次に、本発明の作用を図５のフローチャートに基づいて説明する。図５に示すフローチャートは、例えば、既に電流路に１００Ａ以上の電流が一旦流れて小電流測定器２を構成する小電流用磁気抵抗効果素子７の磁束密度が飽和された状態にあるところから開始する。大電流測定器１及び小電流測定器２によって電流路６の電流が測定される（５１）。大電流測定器１によって測定された値をＪ（ｔ）、小電流測定器２によって測定された値をｊ（ｔ）とする。
　続いて、大電流測定器２によって測定された値Ｊ（ｔ）が予め設定されている第１の設定値Ｉ２（１Ａ）以上か否か判断する(５２)。測定値Ｊ（ｔ）の絶対値がＩ２以上であれば測定レンジを大電流レンジとして、そのまま大電流測定器１で測定した値であるＪ（ｔ）を出力値Ｉとして出力する（５３）。
　測定値Ｊ（ｔ）の絶対値がＩ２より小さければ、引き続き測定値Ｊ（ｔ）の絶対値が予め設定した第２の設定値Ｉ１以上か否かを判断する（５４）。測定値Ｊ（ｔ）の絶対値が第２の設定値Ｉ１以上であればオーバーラップ領域Ａ、Ｂと判断する。測定値Ｊ（ｔ）の絶対値が第２の設定値Ｉ１より小さければ測定レンジを小電流レンジとする。ここで、測定値Ｊ（ｔ）の絶対値が第１の設定値Ｉ２以上か否かの判断（５２）、及び測定値Ｊ（ｔ）の絶対値が第２の設定値Ｉ１以上か否かの判断（５４）が、上記レンジ判別器９に相当する。
　測定値Ｊ（ｔ）の絶対値が第２の設定値Ｉ１以上で、オーバーラップ領域Ａ、Ｂと判断した場合には、大電流測定器１の測定値Ｊ（ｔ）を出力値Ｉとして出力する（５５）とともに大電流測定器１の測定値Ｊ（ｔ）と小電流測定器２の測定値ｊ（ｔ）をメモリ１２に保存する(５６)。
　測定値Ｊ（ｔ）の絶対値が第２の測定値Ｉ１より小さく、小電流レンジとした場合、メモリ１２に保存されている複数の測定値Ｊ（ｔ）及び測定値ｊ（ｔ）を読み出してそれぞれの差（Ｊ（ｔ）-ｊ（ｔ））の平均値を算出する（５７）。この平均値が補正値Δとなる。この補正値Δの算出（５７）が上記補正量算出器１１に相当する。
　補正値Δを算出後、小電流測定器２による測定値ｊ（ｔ）に補正値Δを加え、その値を出力値Ｉとして出力する（５８）。
　図６は、図５で示したフローチャートの別の例である。図５と同じ符号を付けた部分は、図５と同じであるため説明を省略する。図６のフローチャートでは、測定値Ｊ（ｔ）の絶対値がＩ２以上の場合、出力値Ｉとして出力（５３）した後、メモリに保存されている測定値の有無をフラグ「Ｍ」によって判断する（５９）。フラグ「Ｍ」が１であれば、メモリに保存されている測定値が有ると判断し、Ｊ（ｔ）とｊ（ｔ）を削除する（６０）。メモリに保存されている測定値を削除する理由は、測定値Ｊ（ｔ）の絶対値がＩ２以上となると、小電力測定器２のＧＭＲ素子７が飽和し、オフセットの量が変化する可能性があり、オフセット量が変化する前の測定値、Ｊ（ｔ）とｊ（ｔ）が補正値Δの計算に使えなくなるからである。メモリに保存されているＪ（ｔ）とｊ（ｔ）を消去（６０）すると、フラグ「Ｍ」を０にする（６１）。フラグ「Ｍ」を使う理由は、メモリに複数保存されているＪ（ｔ）とｊ（ｔ）の有無を調べたり、削除したりすることは、信号処理装置３の負荷を減らすためである。また、フラグ「Ｍ」が１でない場合は、メモリに保存されている測定値が消去済みであるため、ステップ６０、６１を省略する。
　測定値Ｊ（ｔ）の絶対値が第２の設定値Ｉ１以上で、オーバーラップ領域Ａ、Ｂと判断した場合には、大電流測定器１の測定値Ｊ（ｔ）と小電流測定器２の測定値ｊ（ｔ）をメモリ１０に保存(５６)した後、フラグ「Ｍ」を１にする（６２）と共に、フラグ「Ｎ」を０にする。フラグ「Ｍ」は上述したとおり、メモリに保存されているＪ（ｔ）とｊ（ｔ）の有無を示すフラグであり、フラグ「Ｎ」は、後述するとおり、補正値Δが最新のデータで算出されているか示すフラグである。
　測定値Ｊ（ｔ）の絶対値が第２の測定値Ｉ１より小さく、小電流レンジとした場合、フラグ「Ｎ」が１であれば（６４）、補正値Δが最新のデータで算出されていると判断し、既に計算済みの補正値Δを使って、出力値Ｉを出力する（５８）。フラグ「Ｎ」が１でなければ、補正値Δが最新のデータで算出されていないと判断し、メモリ１２に保存されている複数の測定値Ｊ（ｔ）及び測定値ｊ（ｔ）を読み出してそれぞれの差（Ｊ（ｔ）-ｊ（ｔ））の平均値を算出する（５７）。その後、フラグ「Ｎ」を１にする（６５）。フラグ「Ｎ」を使う理由は、同一の計算を繰り返すことを防止することにより、信号処理装置３の負荷を減らすためである。
　図３は、小電流測定器２を構成する小電流用磁気抵抗効果素子７のヒステリシスループを示すグラフである。図３中、横軸は小電流用磁気抵抗効果素子７に印加される磁場（Ｈ）、縦軸は小電流用磁気抵抗効果素子７の磁束密度（Ｂ）を表し、小電流用磁気抵抗効果素子７の磁束密度が飽和していない状態であれば、磁場（Ｈ）と磁束密度（Ｂ）の関係は０を始点にして比例する（図３中、３０）。しかし、小電流用磁気抵抗効果素子７に印加される磁場（Ｈ）が正の方向に増加し、小電流用磁気抵抗効果素子７の磁束密度（Ｂ）が一旦飽和（図３中、３１）してしまうと、その後、印加される磁場（Ｈ）が減少しても磁束密度（Ｂ）にはオフセットΔＢが発生する（図３中、３２）。さらに、磁場（Ｈ）を負の方向に強くしていき、ＧＭＲ素子７が負の方向に磁束密度（Ｂ）が飽和（図３中、３３）すると、その後、磁場（Ｈ）を増加させるとオフセットΔＢが発生することになる（図３中、３４）。
　図４は、第１実施形態の電流センサにおける被測定電流値と出力電流値の関係を示すグラフである。図４中、Ｊ（ｔ）は大電流測定器１によって測定された測定値を示し、大電流測定器１を構成する大電流用センサ素子４は印加される磁場によって磁束密度が飽和してしまうことがないため、常に直線となり、被測定電流値がそのまま出力電流値となる。但し、絶対値が設定値Ｉ１以下においては、大電流用センサ素子４の測定感度が低いため大電流測定器１によって測定することはできない（実際にはＩ１の値には余裕を持たせており、Ｉ１においても大電流測定器１によって測定できる）。
　図４中、ｊ（ｔ）が小電流測定器２によって測定された測定値を示し、図３のグラフで示すように磁束密度が一旦飽和するとヒステリシスが発生するため、オーバーラップ領域Ａ、Ｂ、Ｉ１＜｜Ｊ（ｔ）｜＜Ｉ２おいて補正を必要とするオフセット値が発生する。
　上述したオーバーラップ領域Ａ、Ｂにおいて、大電流測定器１によって測定された測定値Ｊ（ｔ）と小電流測定器２によって測定された測定値ｊ（ｔ）との差の平均から補正値Δが算出され、その補正値ΔによってＩ１＜｜Ｊ（ｔ）｜領域におけるｊ（ｔ）を補正する。
　上記の通りの構成としたため、大電流測定器１と小電流測定器２を設け切り替えて使う電流センサにおいて、小電流測定器２を構成する小電流用磁気抵抗効果素子４が大電流によるヒステリシスの影響を受けても補正量算出器１１及び補正処理器１３によってオフセット値を補正することができ、測定精度を高めることができる。
　大電流用センサ素子４と小電流用磁気抵抗効果素子７とに共に磁気抵抗効果素子を用いると共に、電流路６と大電流用センサ素子４との距離を、電流路６と小電流用磁気抵抗効果素子７との距離よりも長くすることによって、大電流及び小電流の測定を可能な構成としたため、同一のセンサ素子によって、簡単な構成で本発明を実現できる。
＜変形例＞
　本発明は上記第１実施形態に限定されるものではなく、例えば次のように変形して実施することができ、これらの実施形態も本発明の技術的範囲に属する。
　（１）大電流用センサ素子４と小電流用磁気抵抗効果素子７とに共に磁気抵抗効果素子を用いると共に、大電流用センサ素子４と電流路との間に磁気シールドを配置して大電流用センサ素子４の感度を小電流測定用磁気抵抗効果素子７の感度より低めるように構成してもよい。これによって、上記第１実施形態同様、測定範囲を広げることと、測定精度を高めることができる。しかも、大電流用センサ素子４と小電流用磁気抵抗効果素子７の電流路６に対する距離は同じでよいので組み立てが容易となる。
　（２）大電流用センサ素子４に対しては電流路６を流れる被測定電流の磁界の向きに抗う方向のハードバイアスを印加することで大電流用センサ素子４の感度を小電流用磁気抵抗効果素子７の感度より低めるように構成してもよい。これによって、上記第１実施形態同様、測定範囲を広げることと、測定精度を高めることができる。しかも、大電流用センサ素子４と小電流用磁気抵抗効果素子７の電流路６に対する距離は同じでよいので組み立てが容易となる。
　（３）大電流用センサ素子４として磁気コアを有さないホール素子であってもよい。これによって、上記第１実施形態同様、測定範囲を広げることと、測定精度を高めることができる。しかも、高価な磁気抵抗効果素子を使わずに安価なホール素子を用いることができるためコストダウンが可能となる。磁気コアを有するホール素子は、ホール素子の感度を補ったもので、高価である上に磁気コアに起因したヒステリシスを持つものであるが、この例では大電流用センサ素子４として用いるため、ホール素子の感度を補う必要が無く、磁気コアを有さないホール素子を用いることが可能で、コアに起因したヒステリシスも無く、コストダウンが可能となる。
　（４）大電流用センサ素子４としてシャント抵抗を用いてもよい。これによって、上記第１実施形態同様、測定範囲を広げることと、測定精度を高めることができる。しかも、高価な磁気抵抗効果素子を使わずに安価なシャント抵抗を用いることができるためコストダウンが可能となる。シャント抵抗を用いて大電流から小電流まで広いレンジで電流を計測する場合、大電流では発熱を抑えるために抵抗は出来るだけ小さくしたいが、抵抗が小さいと小電流での信号電圧が小さくなるため、あまり抵抗を小さくできないという問題がある。一方、この例では、大電流用センサ素子４としてシャント抵抗を用い、小電流用の測定にはＧＭＲ素子を用いるので、シャント抵抗の抵抗値は十分に小さく出来、発熱を抑えることができる。また、シャント抵抗はヒステリシスがないため、小電流用磁気抵抗効果素子７の測定値を正しく補正できるため測定精度を高くできる。
　（５）大電流用センサ素子４から出力される電圧や、小電流用磁気抵抗効果素子７から出力される電圧を増幅するための第１の増幅器５及び第２の増幅器８としてトランジスタを組み合わせたＢ級プッシュプル増幅回路によって構成するものであってもよい。Ｂ級プッシュプル増幅回路を用いる場合通常０Ｖ又は０Ａ付近の入力に対する出力値が歪んで正確な測定が難しくなるが、小電流用に感度の高い磁気抵抗効果素子と組み合わせることでＢ級プッシュプル増幅回路を用いた場合でも０Ｖ又は０Ａ付近の入力に対する出力値の線形性を維持でき、上記第１実施形態同様、測定範囲を広げることと、測定精度を高めることができる。特に、安価で構成が簡単なＢ級プッシュプル増幅回路を用いた場合でも微小電流に対する測定精度を高めることができる。尚、回路規模を大きくできる場合には、第１の増幅器５及び第２の増幅器８として、オペアンプを用いることもできる。
　（６）大電流用センサ素子４や、小電流用磁気抵抗効果素子７を構成する素子は、ＧＭＲ素子の他に、ＡＭＲ（Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ　Ｍａｇｎｅｔｏ　Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）素子やＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　Ｍａｇｎｅｔｏ　Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）素子であってもよい。
　その他、本発明は要旨を逸脱しない範囲で種々変更して実施することができる。
　本出願は、２０１０年１１月２６日出願の特願２０１０－２６４０８８に基づく。この内容は、全てここに含めておく。

Claims (9)

  1. 　電流路を流れる被測定電流を測定する小電流測定器と大電流測定器とを備え、前記小電流測定器と前記大電流測定器とを所定の測定電流値を閾値にして切り替える電流センサ装置において、
    　前記小電流測定器は、前記被測定電流による飽和磁束密度が低くかつ前記被測定電流に対する測定感度の高い小電流用磁気抵抗効果素子を有し、
    　前記大電流測定器は、前記被測定電流による飽和磁束密度が高くかつ前記被測定電流に対する測定感度が低い大電流用センサ素子を有し、
    　前記小電流測定器による測定電流値を前記大電流測定器による測定電流値に基づいて補正する補正手段を設けたことを特徴とする電流センサ。
  2. 　前記大電流用センサ素子は、磁気抵抗効果素子であって、
    　前記大電流用センサ素子は、前記電流路に対する距離が、前記小電流用磁気抵抗効果素子と前記電流路との距離よりも離れて配置されていることを特徴とする請求項１記載の電流センサ。
  3. 　前記大電流用センサ素子は、磁気抵抗効果素子であって、
    　前記大電流用センサ素子と前記電流路の間に磁気シールドを配設して、前記大電流用磁気抵抗効果素子に対する感度を低めたことを特徴とする請求項１記載の電流センサ。
  4. 　前記大電流用センサ素子は、磁気抵抗抵抗効果素子であって、
    　前記大電流用センサ素子に対して前記電流路を流れる被測定電流の磁界の向きに抗う方向のハードバイアスを印加して、前記大電流用センサ素子に対する感度を低めたことを特徴とする請求項１記載の電流センサ。
  5. 　前記大電流用センサ素子は、磁気コアを有さないホール素子であることを特徴とする請求項１記載の電流センサ。
  6. 　前記大電流用センサ素子は、シャント抵抗であることを特徴とする請求項１記載の電流センサ。
  7. 　前記小電流用磁気抵抗効果素子の測定領域と前記大電流用センサ素子の測定領域とは、一部が重複するオーバーラップ領域を有し、前記補正手段は、前記オーバーラップ領域における前記小電流測定器による測定値と前記大電流測定器による測定値の差から補正値を求めることを特徴とする請求項１乃至６何れかに記載の電流センサ。
  8. 　前記大電流測定器には、前記大電流用センサ素子の出力を増幅する第１の増幅器が設けられており、
    　前記小電流測定器には、前記小電流用磁気抵抗効果素子の出力を増幅する第２の増幅器が設けられており、
    　前記第１の増幅器及び前記第２の増幅器は、Ｂ級プッシュプル増幅回路から構成されることを特徴とする請求項１乃至６何れかに記載の電流センサ。
  9. 　前記大電流測定器には、前記大電流用センサ素子の出力を増幅する第１の増幅器が設けられており、
    　前記小電流測定器には、前記小電流用磁気抵抗効果素子の出力を増幅する第２の増幅器が設けられており、
    　前記第１の増幅器及び前記第２の増幅器は、Ｂ級プッシュプル増幅回路から構成されることを特徴とする請求項７に記載の電流センサ。
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