JP5504483B2 - 電流センサ - Google Patents

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、導体に流れる電流を磁気検出素子を介して検出する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、検出対象となる導体に流れる電流を、導体周囲の磁界の変化を介して検出する磁電変換素子を備えたものが提案されている。

また、外部からの影響（外乱）を低減する等の目的で、被測定電流により発生する誘導磁界の相反する方向の磁気ベクトルの差分値に基づいて、該被測定体に流れる電流を検出する電流センサが提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

特開平０８−２７３９５２号公報 特開２００７−７８４１８号公報

このように、被測定電流が流れる導体（「バスバ」ともいう）の両側に磁気センサをそれぞれ配置して相反する方向の磁気ベクトルを測定し、それぞれの磁気センサの出力信号の差分をとることにより、外乱による不要磁気を相殺し、被測定電流を正確に測定することが可能となる。

一方で、導体の両側に磁気センサをそれぞれ設ける場合（例えば、特許文献２（図１５）参照）には、一般的に差動増幅回路が一方の磁気センサが形成された面側に設けられる構造となる。しかし、差動増幅回路を、導体に対して対称的に配置された磁気センサの一方側に設ける構造においては、差動増幅回路と各磁気センサとを接続する配線構造（長さや形状等）が異なってしまう。

具体的には、図４に示すように、差動増幅回路と同じ面側に設けられた磁気センサＡの配線Ａは、反対の面側に設けられた磁気センサＢの配線Ｂと比較して配線が短くなる。この場合、配線Ａと配線Ｂの構造が異なるため、２つの配線に対して導体等の外部から与えられるノイズを差動増幅回路において除去することが難しく、配線構造の相違によるノイズが新たに生じるという問題が考えられる。

また、磁気センサＡと差動増幅回路が形成される基板Ａは、磁気センサＢが形成される基板Ｂと比較して、基板サイズや回路規模が大きくなるため、導体と基板Ａ間の容量結合によるノイズと、導体と基板Ｂ間の容量結合によるノイズの影響にも差が生じ、電流測定に影響を及ぼす問題が考えられる。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、被測定電流からの誘導磁界に対して互いに相反する方向の磁気ベクトルの差分に基づいて電流を検出する電流センサにおいて、ノイズの影響を効果的に抑制することを目的の一とする。

本発明の電流センサの一態様は、被測定電流からの誘導磁界に対して互いに相反する方向の磁気ベクトルを検出して出力信号を出力する第１の磁気センサ及び第２の磁気センサと、第１の磁気センサの出力信号と第２の磁気センサの出力信号の差分を出力する差動増幅回路と、第１の磁気センサの出力端子と差動増幅回路の入力端子を電気的に接続する第１の配線と、第２の磁気センサの出力端子と差動増幅回路の入力端子を電気的に接続する第２の配線とを具備し、第１の磁気センサ、第２の磁気センサ及び差動増幅回路が異なる基板上に設けられ、第１の配線と第２の配線の配線容量が概略等しいことを特徴とする。この構成によれば、第１の配線と第２の配線に外部磁場等の影響により与えられるノイズを差動増幅回路で効果的に除去して高い精度で電流値を測定することが可能となる。

本発明の電流センサにおいて、第１の配線と第２の配線の長さが概略同一であることが好ましい。

本発明の電流センサにおいて、第１の配線と第２の配線の形状が概略同一であることが好ましい。

本発明の電流センサにおいて、第１の磁気センサは、被測定電流が流れる導体と対向する第１の基板上に設けられ、第２の磁気センサは、導体を挟んで第１の基板と対向して配置される第２の基板上に設けられ、差動増幅回路は、第１の基板及び第２の基板と概略直交する第３の基板上に設けられることが好ましい。

本発明の電流センサにおいて、第１の基板と第２の基板との対向する表面の面積が概略等しいことが好ましい。

本発明の電流センサにおいて、第３の基板の主面が第１の基板及び第２の基板の側面に接して設けられ、差動増幅回路が第３の基板の一対の主面のうち、第１の磁気センサ及び第２の磁気センサと対向する主面に設けられていることが好ましい。

本発明の電流センサにおいて、第３の基板の主面が第１の基板及び第２の基板の側面に接して設けられ、差動増幅回路が第３の基板の一対の主面のうち、導体と対向する主面と反対側の主面に設けられていることが好ましい。

本発明の電流センサにおいて、第３の基板の一対の主面のうち、導体と対向する主面にグラウンドとして機能する導電膜が設けられていることが好ましい。

本発明の電流センサにおいて、第１の磁気センサ及び第２の磁気センサを覆うシールドカバーを有することが好ましい。

本発明の電流センサにおいて、第１の磁気センサ及び第２の磁気センサがＧＭＲ素子で形成されていることが好ましい。

本発明の一態様によれば、測定電流からの誘導磁界に対して互いに相反する方向の磁気ベクトルの差分に基づいて電流を検出する電流センサにおいて、ノイズの影響を効果的に抑制することができる。

本発明の実施の形態に係る電流センサのブロック図及び回路図の一例を示す図である。 本発明の実施の形態に係る電流センサの構成例を示す図である。 本発明の実施の形態に係る電流センサにおいて、磁気センサ及び差動増幅回路の構成の一例を示す図である。 従来の磁気ベクトルの差分に基づいて電流を検出する電流センサの概要及び回路図を示す図である。 本発明の実施例及び比較例に係る電流センサの出力波形を示す図である。

本発明者は、被測定電流からの誘導磁界に対して互いに相反する方向の磁気ベクトルの差分に基づいて電流を検出する電流センサにおいて、被測定電流が流れる導体を挟んで対称的に設けられた磁気センサと差動増幅回路との配置関係により、各磁気センサと差動増幅回路間の配線に対して与えられる外部磁場等の影響が異なり、差動増幅回路から出力される信号にノイズが混入してしまうことを見出した。そこで、この問題を解決するために本発明者は、導体を挟んで対称的に設けられた磁気センサと差動増幅回路との配置関係を独立に制御して２つの配線の配線容量が等しくなる構造とすることにより、配線容量に起因するノイズの影響を効果的に抑制することができるとの着想を得て本願発明を完成するに至った。

また、電流センサにおいては、配線容量に起因するノイズの他に外部から飛び込んでくる輻射ノイズを如何に抑制するかが課題となる。そこで、本願発明者は、各磁気センサ及び差動増幅回路をそれぞれ異なる基板上に設ける場合に、磁気センサや差動増幅回路の配置を調整することにより、導体等から生じる輻射ノイズの影響を効果的に抑制できることを見出した。

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。まず、図１を参照して本実施の形態に係る電流センサの概要を説明する。図１において、図１（Ａ）は電流センサのブロック図を示し、図１（Ｂ）は電流センサの回路図の一例を示している。

本実施の形態に係る電流センサは、被測定電流からの誘導磁界に対して互いに相反する方向の磁気ベクトルを検出して出力信号を出力する第１の磁気センサ１０１及び第２の磁気センサ１０２と、第１の磁気センサ１０１の出力信号と第２の磁気センサ１０２の出力信号の差分を出力する差動増幅回路１０３と、第１の磁気センサ１０１の出力端子と差動増幅回路１０３の入力端子を電気的に接続する第１の配線１０４と、第２の磁気センサ１０２の出力端子と差動増幅回路１０３の入力端子を電気的に接続する第２の配線１０５とを有し、第１の配線１０４と第２の配線１０５の配線容量が概略等しくなるように第１の磁気センサ１０１、第２の磁気センサ１０２及び差動増幅回路１０３が配置されている。

なお、配線容量とは、配線と基板間の容量、隣接する配線間の容量等の配線に付随する容量を意味する。また、第１の配線１０４と第２の配線１０５の配線容量が等しいとは、第１の配線１０４と基板又は他の配線間に形成される容量と、第２の配線１０５と基板又は他の配線間に形成される容量とが等しいことを指す。例えば、第１の配線１０４及び第２の配線１０５の周辺構造が同じである場合には、第１の配線１０４と第２の配線１０５の配線構造を同一とすることにより第１の配線１０４と第２の配線１０５の配線容量が同一となる。なお、第１の配線１０４及び第２の配線１０５の周辺構造が同じであるとは、第１の配線１０４、第２の配線１０５と電流測定時に影響が生じる大きさの容量を形成する基板や配線がない場合、又は第１の配線１０４、第２の配線１０５配線と容量を形成する基板や配線がある場合であっても第１の配線１０４と第２の配線１０５の周辺に形成される基板や他の配線の配置が同じである場合をいう。

具体的に本実施の形態に係る電流センサは、第１の磁気センサ１０１、第２の磁気センサ１０２及び差動増幅回路１０３をそれぞれ異なる基板（第１の基板１１１〜第３の基板１１３）上に設け、各基板を第１の配線１０４と第２の配線１０５の配線容量が等しくなるように配置する。例えば、第１の配線１０４及び第２の配線１０５の周辺構造を同じとした状態で、第１の配線１０４と第２の配線１０５の配線構造（長さや形状）が等しくなるように各基板を配置する。

従来のように、差動増幅回路を２つの磁気センサ（第１の磁気センサ１０１又は第２の磁気センサ１０２）の一方と同じ基板に設ける構成とするのではなく、第１の磁気センサ１０１、第２の磁気センサ１０２及び差動増幅回路１０３をそれぞれ異なる基板で独立に設けることにより、他の回路との位置関係を考慮しながら第１の配線１０４と第２の配線１０５の配線構造を詳細に設定することができる。例えば、第１の配線１０４と第２の配線１０５の配線構造（長さや形状）が等しくなるように第１の磁気センサ１０１、第２の磁気センサ１０２及び差動増幅回路１０３を設けることが可能となる。

第１の磁気センサ１０１、第２の磁気センサ１０２は、導体に流れる被測定電流からの誘導磁界により特性が変化する磁気検出素子であり、それぞれ第１の基板１１１、第２の基板１１２上に形成されている。また、第１の磁気センサ１０１、第２の磁気センサ１０２は、被測定電流からの誘導磁界を打ち消す方向の磁界（以下、「キャンセル磁界」という）を発生するフィードバックコイルと、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を備えた磁気平衡式センサにより構成することができる。ブリッジ回路の磁気抵抗効果素子としては、ＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子やＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子などを用いることができる。

差動増幅回路１０３は、第１の磁気センサ１０１の出力信号と、第２の磁気センサ１０２の出力信号と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１の磁気センサ１０１及び第２の磁気センサ１０２に作用する誘導磁界による出力信号が加算されると共に、外部磁場の影響に起因するノイズを除去（キャンセル）することができるため、高精度に電流を測定できる。

第１の配線１０４、第２の配線１０５は、互いの配線容量が概略等しくなるように設ける。例えば、第１の配線１０４と第２の配線１０５の長さが概略同一となるように形成する。これにより、外部磁場等の影響により第１の配線１０４及び第２の配線１０５から出力される信号にノイズ等が含まれる場合であっても、差動増幅回路１０３でノイズの影響をキャンセルすることができる。ノイズの影響をより効果的に低減する観点からは、第１の配線１０４、第２の配線１０５を形成する材料、形状等も概略同一とすることが好ましい。ここでいう概略同一とは、完全に同一である場合に加えて、製造工程において装置等に起因したばらつきの影響を考慮した一定の範囲を含む。

図２に、第１の磁気センサ１０１が設けられた第１の基板１１１、第２の磁気センサ１０２が設けられた第２の基板１１２、差動増幅回路１０３が設けられた第３の基板１１３の模式図を示す。なお、図２において、図２（Ａ）は第１の基板１１１を示し、図２（Ｂ）は第２の基板１１２を示し、図２（Ｃ）は第３の基板１１３を示している。

第１の基板１１１の主面には、センサ部１０１ａ及びオペアンプ１０１ｂを含む第１の磁気センサ１０１が設けられており、第１の磁気センサ１０１で検出した結果を第１の配線１０４から出力信号として出力する。

第２の基板１１２の主面には、センサ部１０２ａ及びオペアンプ１０２ｂを含む第２の磁気センサ１０２が設けられており、第２の磁気センサ１０２で検出した結果を第２の配線１０５から出力信号として出力する。第２の磁気センサ１０２の構造は第１の磁気センサ１０１と同様の構造とすることができる。同様に、第１の基板１１１上に形成される第１の配線１０４と、第２の基板１１２上に形成される第２の配線１０５は、同じ長さ及び形状で形成することが好ましい。

さらに、本実施の形態に係る電流センサにおいて、第１の基板１１１と第２の基板１１２のサイズ（面積）を等しくすると共に、同じ構成を有する第１の磁気センサ１０１と第２の磁気センサ１０２を被測定電流が流れる導体に対して対称的に設けることが好ましい。これにより、導体と基板１１１間の容量結合による生じるノイズと、導体と基板１１２間の容量結合による生じるノイズの影響を差動増幅回路１０３で効果的にキャンセルすることが可能となる。

第３の基板１１３の主面には、差動増幅回路１０３が設けられており、第１の配線１０４及び第２の配線１０５が電気的に接続されている。また、差動増幅回路１０３に対して、第１の配線１０４を介して第１の磁気センサ１０１の出力信号が供給され、第２の配線１０５を介して第２の磁気センサ１０２の出力信号が供給される。また、第３の基板１１３上に形成される第１の配線１０４及び第２の配線１０５は、同じ長さ及び形状で形成することが好ましい。

次に、図３を参照して本実施の形態に係る電流センサの具体的な構成例について説明する。

図３に示すように、本実施の形態に係る電流センサは、被測定電流が流れる導体を挟んで第１の基板１１１と第２の基板１１２を対向して配置すると共に、第３の基板１１３を第１の基板１１１及び第２の基板の主面（磁気センサが形成される面）と概略直交するように設ける。

この場合、図３（Ａ）に示すように、第３の基板１１３の主面を第１の基板１１１及び第２の基板１１２の側面（一対の主面以外の面）と接するように設けると共に、第１の磁気センサ１０１を第１の基板１１１の導体と対向する側の主面に設け、第２の磁気センサ１０２を第２の基板１１２の導体と対向する側の主面に設け、差動増幅回路１０３を第３の基板１１３の第１の磁気センサ１０１及び第２の磁気センサ１０２と対向する側の主面に設けた構成とすることができる。

これにより、第１の磁気センサ１０１、第２の磁気センサ１０２及び差動増幅回路１０３をそれぞれ異なる基板上に設ける場合であっても、第１の磁気センサ１０１及び第２の磁気センサ１０２と、差動増幅回路１０３を近接して配置することができる、第１の配線１０４及び第２の配線１０５の長さを短くすることができる。これにより、第１の配線１０４及び第２の配線１０５の引き回しを簡略化すると共に、外部磁場の影響を低減することが可能となる。

また、外部から飛び込んでくる輻射ノイズを低減する観点からは、図３（Ａ）で示した構成において、差動増幅回路１０３を第３の基板１１３の第１の磁気センサ１０１及び第２の磁気センサ１０２と対向する側の主面と反対側の面に設けた構成とすることができる（図３（Ｂ）参照）。この場合、第３の基板１１３の第１の磁気センサ１０１及び第２の磁気センサ１０２と対向する側の主面には、導電膜１０６を形成する。なお、導電膜１０６は第３の基板１１３のグラウンドとして機能させることが好ましい。このように、第３の基板１１３の差動増幅回路１０３が設けられた面と反対側の面（導体と対向する面）に、接地された導電膜１０６を形成することにより、第１の配線１０４及び第２の配線１０５の長さを短くすることができることに加えて、導体等から生じる輻射ノイズが差動増幅回路１０３に対して及ぼす影響を抑制することが可能となる。

また、第１の磁気センサ１０１及び第２の磁気センサ１０２に対する輻射ノイズを低減するために、第１の磁気センサ１０１と第２の磁気センサ１０２をそれぞれ覆うようにシールドカバー１０７、１０８を設けた構成としてもよい（図３（Ｃ）参照）。シールドカバー１０７、１０８は、金属材料を用いて形成することができる。また、導体に電流が流れた際に発生する磁界の変化を第１の磁気センサ１０１及び第２の磁気センサ１０２が検出するために、シールドカバー１０７、１０８は非磁性材料で形成する。例えば、アルミニウム、銅、銀等を用いてシールドカバー１０７、１０８を形成することが好ましい。これにより、配線容量に起因するノイズの影響及び輻射ノイズに起因する影響を効果的に抑制して、電流値の測定精度を向上させることが可能となる。

なお、上記本実施の形態では、第１の磁気センサ、第２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。磁気センサとしては、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、ホール素子やその他の磁気検出素子を使用してもよい。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。

以下、本発明の実施例に関して説明するが、本発明はこの実施例によりなんら制限されるものではない。

本実施例の電流センサは、上記図１に示すように、第１の磁気センサ１０１、第２の磁気センサ１０２及び差動増幅回路１０３をそれぞれ異なる基板（第１の基板１１１〜第３の基板１１３）上に設け、各基板を第１の配線１０４と第２の配線１０５の配線容量が等しくなるように配置した。具体的には、第１の配線１０４及び第２の配線１０５の周辺構造を同じとした状態で、第１の配線１０４と第２の配線１０５の配線構造（長さや形状）が等しくなるように各基板を図３（Ａ）に示すように配置した。なお、各構成の条件を以下の通りとした。

第１の基板：厚さ０．８ｍｍのガラスエポキシ基板
第２の基板：厚さ０．８ｍｍのガラスエポキシ基板
第３の基板：厚さ０．８ｍｍのガラスエポキシ基板
第１の配線：長さ１４．９ｍｍ
第２の配線：長さ１４．８ｍｍ

（比較例）
比較例の電流センサは、上記図４に示すように、磁気センサＡ及び磁気センサＢをそれぞれ異なる基板上（基板Ａ、基板Ｂ）に設け、差動増幅回路を一方の磁気センサ（ここでは、磁気センサＡ）が設けられた基板上に設けた。つまり、比較例の構成では、差動増幅回路と同じ面側に設けられた磁気センサＡの配線Ａは、反対の面側に設けられた磁気センサＢの配線Ｂと比較して配線が短くなっており、配線Ａと配線Ｂの配線容量が異なっている。なお、各構成の条件を以下の通りとした。

基板Ａ：厚さ０．８ｍｍのガラスエポキシ基板
基板Ｂ：厚さ０．８ｍｍのガラスエポキシ基板
配線Ａ：長さ１０．５ｍｍ
配線Ｂ：長さ１６．７ｍｍ

（評価）
次に、実施例と比較例の電流センサにおいて、導体（バスバ）に電流を流した際に、矩形波状のノイズを導体に印加した場合の電流センサの出力電圧の波形を測定した。測定結果を図５に示す。

図５より、比較例の電流センサでは、出力波形にノイズの影響が表れていることが見られたが（図５（Ｂ）参照）、実施例の電流センサでは、ノイズの影響を大幅に低減できていることが確認できた（図５（Ａ）参照）。これは、第１の配線１０４と第２の配線１０５の配線容量を等しくすることにより、差動増幅回路１０３においてノイズの影響を効果的にキャンセルできたためであると考えられる。

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。また、上記実施の形態における材料、電流センサの配置位置、厚さ、大きさ、製法などは適宜変更して実施することが可能である。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。

本発明は、電気自動車等において電流の大きさを検出する電流センサに適用することが可能である。

１０１ 第１の磁気センサ
１０１ａ センサ部
１０１ｂ オペアンプ
１０２ 第２の磁気センサ
１０２ａ センサ部
１０２ｂ オペアンプ
１０３ 差動増幅回路
１０４ 第１の配線
１０５ 第２の配線
１０６ 導電膜
１０７、１０８ シールドカバー
１１１ 第１の基板
１１２ 第２の基板
１１３ 第３の基板

Claims (10)

1. 被測定電流からの誘導磁界に対して互いに相反する方向の磁気ベクトルを検出して出力信号を出力する第１の磁気センサ及び第２の磁気センサと、前記第１の磁気センサの出力信号と前記第２の磁気センサの出力信号の差分を出力する差動増幅回路と、前記第１の磁気センサの出力端子と前記差動増幅回路の入力端子を電気的に接続する第１の配線と、前記第２の磁気センサの出力端子と前記差動増幅回路の入力端子を電気的に接続する第２の配線と、を具備し、
   前記第１の磁気センサ、前記第２の磁気センサ及び前記差動増幅回路が異なる基板上に設けられ、前記第１の配線と前記第２の配線の配線容量が概略等しいことを特徴とする電流センサ。
2. 前記第１の配線と前記第２の配線の長さが概略同一であることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記第１の配線と前記第２の配線の形状が概略同一であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電流センサ。
4. 前記第１の磁気センサは、前記被測定電流が流れる導体と対向する第１の基板上に設けられ、前記第２の磁気センサは、前記導体を挟んで前記第１の基板と対向して配置される第２の基板上に設けられ、前記差動増幅回路は、前記第１の基板及び前記第２の基板と概略直交する第３の基板上に設けられることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の電流センサ。
5. 前記第１の基板と前記第２の基板との対向する表面の面積が概略等しいことを特徴とする請求項４に記載の電流センサ。
6. 前記第３の基板の主面が前記第１の基板及び前記第２の基板の側面に接して設けられ、前記差動増幅回路が前記第３の基板の一対の主面のうち、前記第１の磁気センサ及び前記第２の磁気センサと対向する主面に設けられていることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の電流センサ。
7. 前記第３の基板の主面が前記第１の基板及び前記第２の基板の側面に接して設けられ、前記差動増幅回路が前記第３の基板の一対の主面のうち、前記導体と対向する主面と反対側の主面に設けられていることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の電流センサ。
8. 前記第３の基板の一対の主面のうち、前記導体と対向する主面にグラウンドとして機能する導電膜が設けられていることを特徴とする請求項７に記載の電流センサ。
9. 前記第１の磁気センサ及び前記第２の磁気センサを覆うシールドカバーを有することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載の電流センサ。
10. 前記第１の磁気センサ及び前記第２の磁気センサがＧＭＲ素子で形成されていることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれかに記載の電流センサ。

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