JP5504488B2

JP5504488B2 - 電流センサ

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Publication number: JP5504488B2
Application number: JP2012533919A
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Inventors: 雅俊野村
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Filing date: 2011-08-04
Publication date: 2014-05-28
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Description

本発明は、電流の大きさを測定する電流センサに関する。特に、磁界の影響による測定精度の低下が抑制された電流センサに関する。

電気自動車やハイブリッドカーにおけるモータ駆動技術などの分野では、比較的大きな電流が取り扱われるため、このような用途向けに、大電流を非接触で測定することが可能な電流センサが求められている。そして、このような電流センサとして、被測定電流によって生じる磁界の変化を磁気センサによって検出する方式のものが実用化されている。磁気センサを用いる電流センサは、外部磁界の影響による測定精度の低下が問題となるため、これを抑制する方式が提案されている。

外部磁界の影響による測定精度の低下を抑制する方式としては、例えば、二つ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（特許文献１参照）。この構成では、二つの磁気センサの出力信号において、被測定電流が形成する磁界の影響が逆相で現れ、外部磁界の影響が同相で現れるため、その差動を取ることで外部磁界の影響をある程度は除去することができる。

特開２００２−２４３７６６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の構成を採用する場合であっても、被測定電流による誘導磁界や外部磁界の影響によって測定精度が低下してしまうことがある。本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、電流測定精度の低下を十分に抑制することができる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、被測定電流が通流する電流線と、センサ部と、前記センサ部に接続された回路および配線と、をそれぞれ有する一対の磁気センサと、前記一対の磁気センサに接続され、前記一対の磁気センサの出力信号を差動演算する演算装置と、を具備し、前記一対の磁気センサにおいて、前記センサ部は、それぞれの感度軸方向が同じになるように配置され、前記一対の磁気センサの前記回路または／および前記配線は、前記被測定電流が通流する方向に垂直な面において、互いに対称の関係を有するように配置されたことを特徴とする。

この構成によれば、一対の磁気センサが有するセンサ部の感度軸方向が同じであり、一対の磁気センサが有する回路や配線が、被測定電流が通流する方向に垂直な面において対称に配置されているため、センサ部外の回路や配線が受ける磁界の影響を同等にしつつ、差動演算によって外部磁界の影響を除去することが可能である。これにより、電流測定精度の低下を十分に抑制することができる。

なお、本明細書において、配置に関する「対称」の表現は、発明の効果を失わない程度の実質的な対称関係を含む趣旨で用いる。例えば、測定精度に影響を与えない程度の相違（対称な配置との相違）は許容される。

本発明の電流センサにおいて、前記一対の磁気センサの前記回路または／および前記配線は、前記被測定電流が通流する方向に垂直な面において、互いに二次元の点対称の関係を有するように配置されることがある。この構成によれば、センサ部外の回路や配線において、電流線を通流する被測定電流による誘導磁界からの影響を同等にすることができる。このため、電流測定精度の低下を十分に抑制することができる。

本発明の電流センサにおいて、前記一対の磁気センサの前記回路または／および前記配線は、前記被測定電流が通流する方向に垂直な面において、互いに二次元の線対称の関係を有するように配置されることがある。この構成によれば、センサ部外の回路や配線において、外部磁界からの影響を同等にすることができる。このため、電流測定精度の低下を十分に抑制することができる。

本発明の電流センサにおいて、前記一対の磁気センサの前記センサ部は、その構成が互いに異なることがある。この構成によれば、センサ部の構成を異ならせることで、センサ部外の回路や配線として同等のものを用いることが可能になるため、センサ部外の回路や配線などを、対称（例えば、点対称や線対称）に配置することが容易になる。これにより、電流測定精度の低下を容易に抑制することができる。

本発明の電流センサは、一対の磁気センサが有するセンサ部の感度軸方向が同じで、一対の磁気センサが有する回路や配線が、被測定電流が通流する方向に垂直な面において、対称の関係を有するように配置されているため、センサ部外の回路や配線が受ける磁界の影響を同等にしつつ、差動演算による外部磁界の影響を除去することが可能である。これにより、電流測定精度の低下を十分に抑制することができる。

電流センサの構成を示す模式図である。電流センサの構成を示す模式図である。電流センサの回路構成を示す模式図である。センサ部および回路部と、その接続関係を示す回路図である。一対の磁気センサの回路図である。電流センサの構成を示す模式図である。一対の磁気センサの回路図である。一対の磁気センサの出力について示す図である。電流センサの構成を示す模式図である。一対の磁気センサの回路図である。電流センサの構成を示す模式図である。一対の磁気センサの回路図である。

磁気センサを利用する電流センサにおいて、二つの磁気センサの差動を取るのみでは、外部磁界をはじめとするさまざまな磁界の影響を緩和して、電流センサの測定精度を十分に高めることは難しい。これは、回路や配線の配置次第で、これらが磁界から受ける影響に差が出てくるためである。例えば、回路や配線の配置が非対称の場合には、電流線を通流する被測定電流による誘導磁界や、外部磁界の影響が、磁気センサごとに異なってくるため、差動演算時のマッチング（差動マッチング）が低下し、外部磁界を十分に除去できないという問題が生じ得る。

本発明者らはこの点に着目し、電流センサ内の一対の磁気センサが有する回路や配線を、被測定電流が通流する方向に垂直な面において対称の関係となるように配置することで、回路や配線が受ける磁界の影響を同等にして電流測定精度の低下を抑制し、電流センサの測定精度を十分に高めることができることを見出した。

すなわち、本発明の骨子は、被測定電流による誘導磁界や、外部磁界の影響が、一対の磁気センサに等しく表れるような構成を採用することで、差動演算によって外部磁界の影響を十分にキャンセルして電流測定精度の低下を抑制しようとするものである。以下、本発明について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明に係る電流センサ１０の配置の例を示す模式図である。電流センサ１０は、電流線１５と、電流線１５を挟むように配置された第一の磁気センサ１１Ａおよび第二の磁気センサ１１Ｂを含む。なお、図１において、第一の磁気センサ１１Ａおよび第二の磁気センサ１１Ｂに付したＸ、Ｙ、Ｚの文字は、それぞれ、対応する回路または配線を示す。つまり、第一の磁気センサ１１Ａにおいて、例えば、Ｘで表される回路または配線は、第二の磁気センサ１１ＢにおいてＸで表される回路または配線に相当する。また、図１（Ａ）において、白抜きの矢印は、被測定電流によって生じる誘導磁界の向きを表し、図１（Ｂ）において、ハッチを付した矢印は、外部磁界の向きを表している。

図１（Ａ）は、第一の磁気センサ１１Ａの回路や配線と、第二の磁気センサ１１Ｂの回路や配線とが、被測定電流が通流する方向に垂直な面（電流線１５が延在する方向に垂直な面）において、二次元の点対称（二回対称）の関係を有する配置の例である。図１（Ａ）に示すように、第一の磁気センサ１１Ａの回路または配線は、被測定電流による誘導磁界の向きにＸ、Ｙ、Ｚの順に配置されており、第二の磁気センサ１１Ｂの回路または配線は、被測定電流による誘導磁界の向きにＸ、Ｙ、Ｚの順に配置されている。このような配置では、被測定電流による誘導磁界から第一の磁気センサ１１Ａが受ける影響と、被測定電流による誘導磁界から第二の磁気センサ１１Ｂが受ける影響とが概ね等しくなるため、差動マッチングを高めることが可能であり、差動演算によって外部磁界の影響を十分に除去することができる。

なお、電流センサ１０において、第一の磁気センサ１１Ａおよび第二の磁気センサ１１Ｂは、それぞれ、ブリッジ回路やフィードバックコイルなどを含むセンサ部、センサ部外の差動・電流アンプやＩ／Ｖアンプなどの回路、センサ部と回路などを接続する配線、などを含む（図示しない）が、これらのすべてが、上記対称性を満たしている必要はない。例えば、センサ部については、上記の対称性を有さなくて良い。また、対称性についても厳密なものである必要はなく、被測定電流による磁界から受ける影響が概ね等しくなる程度で良い。また、上記点対称における対称点は、通常、電流線１５の内部に存在する。

なお、上記対称性を三次元的に考えると、三次元の線対称（二回対称）となる。このため、図１（Ａ）の電流センサ１０の構成において、第一の磁気センサ１１Ａの回路や配線と、第二の磁気センサ１１Ｂの回路や配線とが、三次元の線対称の関係を有するように配置されている、と表現することが可能である。ただし、対称軸は、被測定電流が通流する方向を向く。また、二次元、三次元のいずれにおいても二回対称の関係にあることに変わりはないから、第一の磁気センサ１１Ａの回路や配線と、第二の磁気センサ１１Ｂの回路や配線とが、二回対称の関係にある、と表現しても良い。この場合、回転軸は、被測定電流が通流する方向を向く。また、図１（Ａ）の電流センサ１０において、第一の磁気センサ１１Ａの回路や配線と、第二の磁気センサ１１Ｂの回路や配線とが、被測定電流による誘導磁界の向き（それぞれが影響を受ける磁界の向き）に対して同じ構成で配置されている、と表現することも可能である。

図１（Ｂ）は、第一の磁気センサ１１Ａの回路や配線と、第二の磁気センサ１１Ｂの回路や配線とが、被測定電流が通流する方向に垂直な面（電流線１５が延在する方向に垂直な面）において、二次元の線対称の関係を有する配置の例である。図１（Ｂ）に示すように、第一の磁気センサ１１Ａにおいて、回路または配線は、外部磁界の向きにＸ、Ｙ、Ｚの順に配置されており、第二の磁気センサ１１Ｂにおいて、回路または配線は、外部磁界の向きにＸ、Ｙ、Ｚの順に配置されている。このような配置では、外部磁界から第一の磁気センサ１１Ａが受ける影響と、外部磁界から第二の磁気センサ１１Ｂが受ける影響とが概ね等しくなるため、差動演算によって外部磁界の影響を十分に除去することが可能である。

なお、第一の磁気センサ１１Ａおよび第二の磁気センサ１１Ｂ内のすべての構成が、上記対称性を満たしている必要はない。例えば、センサ部については、上記の対称性を有さないことがある。また、対称性についても厳密なものである必要はなく、被測定電流による磁界から受ける影響が概ね等しくなる程度で良い。また、上記線対称における対称軸は、通常、被測定電流が通流する方向に垂直な面において、一部が電流線１５と重なるように存在する。

なお、上記対称性を三次元的に考えると、面対称となる。このため、図１（Ｂ）の電流センサ１０の構成において、第一の磁気センサ１１Ａの回路や配線と、第二の磁気センサ１１Ｂの回路や配線とが、面対称の関係を有するように配置されている、と表現することが可能である。この場合、対称面は、被測定電流が通流する方向に平行な面になる。また、図１（Ｂ）の電流センサ１０において、第一の磁気センサ１１Ａの回路や配線と、第二の磁気センサ１１Ｂの回路や配線とが、外部磁界の向きに対して同じ構成で配置されている、と表現することも可能である。

なお、図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示すように、第一の磁気センサ１１Ａの回路や配線と、第二の磁気センサ１１Ｂの回路や配線と、が有する対称性の種類によって、受ける影響を等しくすることができる磁界の種類は異なる。よって、電流測定精度への影響が大きい磁界の種類に合わせて、いずれかの構成を適宜選択すればよい。

上述のように、本発明の電流センサ１０では、第一の磁気センサ１１Ａの回路や配線と、第二の磁気センサ１１Ｂの回路や配線とを、被測定電流が通流する方向に垂直な面において、対称の関係となるように配置している。このような配置により、被測定電流による誘導磁界や外部磁界の影響が、第一の磁気センサ１１Ａと第二の磁気センサ１１Ｂとに等しく表れるため、差動演算によって外部磁界の影響を十分にキャンセルして電流測定精度の低下を抑制することができる。以降の実施の形態では、本発明の電流センサ１０の具体例について、より詳細に説明することとする。

（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の電流センサ１０の具体例として、磁気センサの回路または配線が、被測定電流が通流する方向に垂直な面において二次元の点対称の関係にある場合の一例について、図面を参照して説明する。図２（Ａ）は、被測定電流が通流する方向から見た場合の電流センサ１０の構成を示す模式図であり、図２（Ｂ）は、被測定電流が通流する方向に垂直な方向から見た場合の電流センサ１０の構成を示す模式図である。図２（Ａ）において、電流線１５に付された印は、被測定電流が奥から手前に通流することを示し、図２（Ｂ）において、塗りつぶされた矢印は被測定電流の向きを示し、白抜きの矢印は被測定電流による誘導磁界の向きを示す。また、図２（Ａ）および図２（Ｂ）において、実線の矢印は感度軸の向きを示し、図２（Ａ）において破線の矢印は、それぞれ、図２（Ｂ）のＡ側またはＢ側に対応することを示す。また、センサ部１２Ａおよびセンサ部１２Ｂのピン（端子）のうちで同じ番号が付されているものは、それぞれ同じ機能を有する要素に接続されることを示す。

本実施の形態における電流センサ１０は、電流線１５と、基板１６Ａに配置された第一の磁気センサ１１Ａと、基板１６Ｂに配置された第二の磁気センサ１１Ｂを含む。第一の磁気センサ１１Ａは、ブリッジ回路やフィードバックコイルなどを含むセンサ部１２Ａと、差動・電流アンプやＩ／Ｖアンプなどを含む回路部１３Ａとを含む。第二の磁気センサ１１Ｂは、ブリッジ回路やフィードバックコイルなどを含むセンサ部１２Ｂと、差動・電流アンプやＩ／Ｖアンプなどを含む回路部１３Ｂとを含む。

また、本実施の形態の電流センサ１０において、第一の磁気センサ１１Ａにおけるセンサ部１２Ａのピン（端子）の配置と、第二の磁気センサ１１Ｂにおけるセンサ部１２Ｂのピン（端子）の配置とは、被測定電流が通流する方向に垂直な面において二次元の点対称の関係にある（図２（Ａ）参照）。また、第一の磁気センサ１１Ａにおけるセンサ部１２Ａに接続される配線と、第二の磁気センサ１１Ｂにおけるセンサ部１２Ｂに接続される配線とは、被測定電流が通流する方向に垂直な面において二次元の点対称の関係にある。同様に、第一の磁気センサ１１Ａが有する回路部１３Ａと、第二の磁気センサ１１Ａが有する回路部１３Ｂとは、被測定電流が通流する方向に垂直な面において二次元の点対称の関係にある。なお、この場合、対称点は、電流線１５の内部に存在する。

このような対称関係を有することにより、被測定電流による誘導磁界から第一の磁気センサ１１Ａが受ける影響と、被測定電流による誘導磁界から第二の磁気センサ１１Ｂが受ける影響とを概ね等しくできるため、差動演算時のマッチング（差動マッチング）を高めることができる。これにより、外部磁界の影響を十分に除去して、測定精度の低下を抑制することができる。

なお、上記の表現は、電流センサ１０を二次元的にみた場合の一例に過ぎないから、他の表現も可能である。例えば、第一の磁気センサ１１Ａにおけるセンサ部１２Ａに接続される配線と、第二の磁気センサ１１Ｂにおけるセンサ部１２Ｂに接続される配線とが、被測定電流が通流する方向に延びた軸を対称軸とする三次元の線対称の関係にあり、第一の磁気センサ１１Ａが有する回路部１３Ａと、第二の磁気センサ１１Ｂが有する回路部１３Ｂとが、被測定電流が通流する方向に延びた軸を対称軸とする三次元の線対称の関係にある、ということができる。同様に、被測定電流が通流する方向に延びた軸を回転軸とする二回対称の関係にあるといっても良い。さらに、第一の磁気センサ１１Ａの回路部１３Ａや配線と、第二の磁気センサ１１Ｂの回路部１３Ｂや配線とが、被測定電流による誘導磁界の向き（それぞれが影響を受ける磁界の向き）に対して同じ構成で配置されている、と表現することも可能である。

次に、本発明に係る電流センサ１０の回路構成について説明する。図３は、本発明に係る電流センサ１０のブロック図の例である。図３に示される電流センサ１０は、第一の磁気センサ１１Ａおよび第二の磁気センサ１１Ｂの他、第一の磁気センサ１１Ａおよび第二の磁気センサ１１Ｂの出力の差動演算を行う差動アンプ１４を有している。

図３に示す第一の磁気センサ１１Ａは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１１１Ａと、磁気検出素子である二つの磁気抵抗効果素子及び二つの固定抵抗素子からなるブリッジ回路１１３Ａと、を含むセンサ部１２Ａを有する。また、ブリッジ回路１１３Ａの差動出力を増幅し、フィードバックコイル１１１Ａのフィードバック電流を制御する差動・電流アンプ１２１Ａと、第一の磁気センサ１１Ａのフィードバック電流を電圧に変換するＩ／Ｖアンプ１２３Ａと、を含む回路部１３Ａを有する。ここで、フィードバックコイル１１１Ａとブリッジ回路１１３Ａとを含むセンサ部１２Ａは、一つのチップ内に作り込まれていることがある。また、差動・電流アンプ１２１Ａと、Ｉ／Ｖアンプ１２３Ａとには、同じ構成のオペアンプをベースとして、その接続関係を変更したものが用いられることがある。

第二の磁気センサ１１Ｂも第一の磁気センサ１１Ａと同様に、フィードバックコイル１１１Ｂおよびブリッジ回路１１３Ｂを含むセンサ部１２Ｂと、差動・電流アンプ１２１ＢおよびＩ／Ｖアンプ１２３Ｂを含む回路部１３Ｂと、を有する。また、フィードバックコイル１１１Ｂとブリッジ回路１１３Ｂとを含むセンサ部１２Ｂは、一つのチップ内に作り込まれていることがある。また、差動・電流アンプ１２１Ａと、Ｉ／Ｖアンプ１２３Ａとには、同じ構成のオペアンプをベースとして、その接続関係を変更したものが用いられることがある。

フィードバックコイル１１１Ａ、１１１Ｂは、ブリッジ回路１１３Ａ、１１３Ｂ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１１３Ａ、１１３Ｂの磁気抵抗効果素子としては、ＧＭＲ（ＧｉａｎｔＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子やＴＭＲ（ＴｕｎｎｅｌＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子などを用いることができる。磁気抵抗効果素子は、被測定電流からの誘導磁界により抵抗値が変化するという特性を有する。このような特性を有する二つの磁気抵抗効果素子と二つの固定抵抗素子を用いてブリッジ回路１１３Ａ、１１３Ｂ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なり、平面コイルを使用することが可能となる。

ブリッジ回路１１３Ａ、１１３Ｂは、それぞれ、被測定電流による誘導磁界に応じた電位差を生じる二つの出力端子を備える。ブリッジ回路１１３Ａ、１１３Ｂがそれぞれ有する二つの出力端子からの二つの出力は、差動・電流アンプ１２１Ａ、１２１Ｂで差動増幅され、差動増幅された出力がフィードバックコイル１１１Ａ、１１１Ｂに電流（フィードバック電流）として与えられる。フィードバック電流がフィードバックコイル１１１Ａ、１１１Ｂに与えられると、当該フィードバック電流によって、誘導磁界を相殺するキャンセル磁界が発生する。そして、誘導磁界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にフィードバックコイル１１１Ａ、１１１Ｂを流れる電流が、Ｉ／Ｖアンプ１２３Ａ、１２３Ｂで電圧に変換され、センサ出力となる。

なお、差動・電流アンプ１２１Ａ、１２１Ｂ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１１３Ａ、１１３Ｂ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１１３Ａ、１１３Ｂ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したフィードバック電流を用いてもよい。

差動アンプ１４は、第一の磁気センサ１１Ａと第二の磁気センサ１１Ｂの出力信号（すなわち、Ｉ／Ｖアンプ１２３Ａ、１２３Ｂの出力信号）の差動値を出力する。このような差動演算処理によって、第一の磁気センサ１１Ａ、第二の磁気センサ１１Ｂ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、高精度に電流を測定できる。

次に、第一の磁気センサ１１Ａおよび第二の磁気センサ１１Ｂにおける、センサ部１２Ａ、１２Ｂや、回路部１３Ａ、１３Ｂの構成およびその接続関係について説明する。図４は、センサ部１２Ａ、１２Ｂ、回路部１３Ａ、１３Ｂの基本的な構成および接続関係について示す回路図である。図５は、第一の磁気センサ１１Ａおよび第二の磁気センサ１１Ｂの構成を示す回路図である。図５の回路図は、図２（Ｂ）の模式図に対応するものであり、塗りつぶされた矢印は被測定電流の向きを、白抜きの矢印は被測定電流による誘導磁界の向きを、それぞれ示している。なお、図４においてセンサ部１２Ａ、１２Ｂ、回路部１３Ａ、１３Ｂのピン（端子）に付された番号は、図５において同じ番号が付されたピンに対応する。

図４および図５から分かるように、第一の磁気センサ１１Ａにおいて、ブリッジ回路１１３Ａの二つの出力は差動・電流アンプ１２１Ａの二つの入力となる。つまり、センサ部１２Ａの二つのピン（６、７）と、回路部１３Ａの二つのピン（３、２）とは、それぞれ接続されている。また、差動・電流アンプ１２１Ａの出力に相当する回路部１３Ａのピン（１）と、フィードバックコイル１１１Ａの一方の端子に相当するセンサ部１２Ａのピン（２）とは接続されている。

また、フィードバックコイル１１１Ａの他方の端子に相当するセンサ部１２Ａのピン（３）と、Ｉ／Ｖアンプ１２３Ａの一方の入力端子に相当する回路部１３Ａのピン（５）とは接続されており、これらは抵抗を介して、接地電位（ＧＮＤ）と接続されている。さらに、Ｉ／Ｖアンプ１２３Ａの他方の入力端子に相当する回路部１３Ａのピン（６）と、Ｉ／Ｖアンプ１２３Ａの出力端子に相当する回路部１３Ａのピン（７）とは、センサの出力端子と接続されている。なお、センサ部１２Ａの二つのピン（５、８）には、所定の電圧（Ｖ＋、Ｖ−）が与えられており、回路部１３Ａの二つのピン（４、８）には、所定の電圧（Ｖ＋、Ｖ−）が与えられている。

第二の磁気センサ１１Ｂの接続関係も同様である。このため、図５に示すような、第一の磁気センサ１１Ａにおける回路部１３Ａおよび配線と、第二の磁気センサ１１Ｂにおける回路部１３Ｂおよび配線とが、被測定電流が通流する方向に垂直な面において二次元の点対称の関係を有する構成は、同一の回路および配線を１８０°回転させて配置することで実現される。

一方で、図５に示す構成におけるセンサ部１２Ａとセンサ部１２Ｂとは、同一のセンサ部を１８０°回転させて配置しても実現されない。これは、第一の磁気センサ１１Ａと第二の磁気センサ１１Ｂとでは、感度軸の向きを合わせる必要があるためである。よって、厳密には、センサ部１２Ａとセンサ部１２Ｂとの関係は、被測定電流が通流する方向に垂直な面において二次元の点対称にならない。ただし、このことは、電流測定精度にはほとんど影響しない。

次に、図６および図７に、第一の磁気センサ１１Ａにおける回路部１３Ａおよび配線と、第二の磁気センサ１１Ｂにおける回路部１３Ｂおよび配線とが、被測定電流が通流する方向に垂直な面において、二次元の点対称の関係にない場合の例を示す。図６（Ａ）は、被測定電流が通流する方向から見た場合の模式図であり、図６（Ｂ）は、被測定電流が通流する方向に垂直な方向から見た場合の模式図である。図７は、第一の磁気センサ１１Ａおよび第二の磁気センサ１１Ｂの構成を示す回路図である。図６および図７において、塗りつぶされた矢印は被測定電流の向きを、白抜きの矢印は被測定電流による誘導磁界の向きを、それぞれ示している。

この場合、図６（Ｂ）から分かるように、第一の磁気センサ１１Ａおよび第二の磁気センサ１１Ｂは、被測定電流が通流する方向に平行な面において二次元の点対称の関係にある。一方で、被測定電流が通流する方向に垂直な面において、第一の磁気センサ１１Ａにおけるセンサ部１２Ａのピン（端子）の配置と、第二の磁気センサ１１Ｂにおけるセンサ部１２Ｂのピン（端子）の配置とは、二次元の点対称の関係にない（図６（Ａ）参照）。また、第一の磁気センサ１１Ａにおけるセンサ部１２Ａに接続される配線と、第二の磁気センサ１１Ｂにおけるセンサ部１２Ｂに接続される配線とは、被測定電流が通流する方向に垂直な面において二次元の点対称の関係にない。同様に、第一の磁気センサ１１Ａが有する回路部１３Ａと、第二の磁気センサ１１Ｂが有する回路部１３Ｂとは、被測定電流が通流する方向に垂直な面において二次元の点対称の関係にない。

このような構成は、同じ構成の磁気センサを、被測定電流が通流する方向に平行な面において回転させて配置することで容易に実現できるが、この場合には、被測定電流による誘導磁界から第一の磁気センサ１１Ａが受ける影響と、被測定電流による誘導磁界から第二の磁気センサ１１Ｂが受ける影響とが等しくならないことがある。例えば、電流センサの電流線１５にスパイク状のノイズが加わると、図８に示すように、第一の磁気センサ１１Ａの出力と、第二の磁気センサ１１Ｂの出力とは一致しなくなる。すると、差動演算時のマッチング（差動マッチング）が低下して、外部磁界の影響を十分に除去することができない。

本実施の形態に示す電流センサ１０は、このような問題を解決すべく考えられたものであり、少なくとも一対の磁気センサの配線または回路の一部を、被測定電流が通流する方向に垂直な面において二次元の点対称の関係を有するように配置することで、被測定電流による誘導磁界からの影響を等しくして、適切な差動演算を実現するのである。

なお、ここでは第一の磁気センサ１１Ａおよび第二の磁気センサ１１Ａとして磁気平衡式センサを用いたが、磁気比例式センサを用いても良い。また、図３〜図５に係る電流センサ１０の構成は一例にすぎず、他の構成を採用することも当然に可能である。

（実施の形態２）
本実施の形態では、本発明の電流センサ１０の具体例として、磁気センサの回路または配線が、被測定電流が通流する方向に垂直な面において二次元の点対称の関係にある場合の別の一例について、図面を参照して説明する。図９は、被測定電流が通流する方向から見た場合の電流センサ１０の構成を示す模式図である。図９において、電流線１５に付された印は、被測定電流が手前から奥に通流することを示し、白抜きの矢印は被測定電流による誘導磁界の向きを示し、実線の矢印は感度軸の向きを示す。また、センサ部１２Ａおよびセンサ部１２Ｂのピン（端子）のうちで同じ番号が付されているものは、それぞれ同じ機能を有する要素に接続されることを示す。

本実施の形態における電流センサ１０は、電流線１５と、基板１６に配置された第一の磁気センサ１１Ａおよび第二の磁気センサ１１Ｂを含む。第一の磁気センサ１１Ａは、ブリッジ回路やフィードバックコイルなどを含むセンサ部１２Ａと、差動・電流アンプやＩ／Ｖアンプなどを含む回路部１３Ａとを含む。第二の磁気センサ１１Ｂは、ブリッジ回路やフィードバックコイルなどを含むセンサ部１２Ｂと、差動・電流アンプやＩ／Ｖアンプなどを含む回路部１３Ｂとを含む。

また、本実施の形態の電流センサ１０において、第一の磁気センサ１１Ａにおけるセンサ部１２Ａのピン（端子）の配置と、第二の磁気センサ１１Ｂにおけるセンサ部１２Ｂのピン（端子）の配置とは、被測定電流が通流する方向に垂直な面において二次元の点対称の関係にある（図９参照）。また、第一の磁気センサ１１Ａにおけるセンサ部１２Ａに接続される配線と、第二の磁気センサ１１Ｂにおけるセンサ部１２Ｂに接続される配線とは、被測定電流が通流する方向に垂直な面において二次元の点対称の関係にある。同様に、第一の磁気センサ１１Ａが有する回路部１３Ａと、第二の磁気センサ１１Ａが有する回路部１３Ｂとは、被測定電流が通流する方向に垂直な面において二次元の点対称の関係にある。なお、この場合、対称点は、電流線１５の内部に存在する。

このような対称関係を有することにより、被測定電流による誘導磁界から第一の磁気センサ１１Ａが受ける影響と、被測定電流による誘導磁界から第二の磁気センサ１１Ｂが受ける影響とを概ね等しくできるため、差動マッチングを高めることができる。これにより、外部磁界の影響を十分に除去して、測定精度の低下を抑制することができる。

電流センサ１０の回路構成は、実施の形態１と同様である。すなわち、第一の磁気センサ１１Ａおよび第二の磁気センサ１１Ｂの他、第一の磁気センサ１１Ａおよび第二の磁気センサ１１Ｂの出力の差動演算を行う差動アンプを有している。詳細については、実施の形態１の記載や図３などを参酌すればよいから、ここでは省略する。

次に、第一の磁気センサ１１Ａおよび第二の磁気センサ１１Ｂにおける、センサ部１２Ａ、１２Ｂや、回路部１３Ａ、１３Ｂの構成およびその接続関係について説明する。図１０は、第一の磁気センサ１１Ａおよび第二の磁気センサ１１Ｂの構成を示す回路図である。図１０の回路図は、図９の模式図に対応するものであり、電流線１５に付された印は、被測定電流が手前から奥に通流することを示し、白抜きの矢印は被測定電流による誘導磁界の向きを示している。なお、センサ部１２Ａ、１２Ｂ、回路部１３Ａ、１３Ｂの基本的な構成および接続関係の詳細は、実施の形態１の記載や図４などを参酌すればよいから、ここでは省略する。

図１０から分かるように、ブリッジ回路１１３Ａの二つの出力に相当するセンサ部１２Ａの二つのピン（６、７）と、差動・電流アンプ１２１Ａの二つの入力に相当する回路部１３Ａの二つのピン（３、２）とは、それぞれ接続されている。また、差動・電流アンプ１２１Ａの出力に相当する回路部１３Ａのピン（１）と、フィードバックコイル１１１Ａの一方の端子に相当するセンサ部１２Ａのピン（２）とは接続されている。

第二の磁気センサ１１Ｂの接続関係も同様である。このため、図１０に示すような、第一の磁気センサ１１Ａにおける回路部１３Ａおよび配線と、第二の磁気センサ１１Ｂにおける回路部１３Ｂおよび配線とが、被測定電流が通流する方向に垂直な面において二次元の点対称の関係を有する構成は、同一の回路および配線を１８０°回転させて配置することで実現される。

一方で、図１０に示す構成におけるセンサ部１２Ａとセンサ部１２Ｂとは、同一のセンサ部を１８０°回転させて配置しても実現されない。これは、第一の磁気センサ１１Ａと第二の磁気センサ１１Ｂとでは、感度軸の向きを合わせる必要があるためである。よって、センサ部１２Ａとセンサ部１２Ｂとの関係は、厳密には、被測定電流が通流する方向に垂直な面において二次元の点対称にならない。ただし、このことは、電流測定精度にはほとんど影響しない。

以上のように、少なくとも一対の磁気センサの配線または回路の一部を、被測定電流が通流する方向に垂直な面において二次元の点対称の関係を有するように配置することで、被測定電流による誘導磁界からの影響を等しくして、適切な差動演算を実現することができる。

なお、ここでは第一の磁気センサ１１Ａおよび第二の磁気センサ１１Ａとして磁気平衡式センサを用いたが、磁気比例式センサを用いても良い。また、図９、図１０に係る電流センサ１０の構成は一例にすぎず、他の構成を採用することも当然に可能である。

（実施の形態３）
本実施の形態では、本発明の電流センサ１０の具体例として、磁気センサの回路または配線が、被測定電流が通流する方向に垂直な面において二次元の線対称の関係にある場合の一例について、図面を参照して説明する。図１１（Ａ）は、被測定電流が通流する方向から見た場合の電流センサ１０の構成を示す模式図であり、図１１（Ｂ）は、被測定電流が通流する方向に垂直な方向から見た場合の電流センサ１０の構成を示す模式図である。図１１（Ａ）において、電流線１５に付された印は、被測定電流が奥から手前に通流することを示し、図１１（Ｂ）において、塗りつぶされた矢印は被測定電流の向きを示し、ハッチを付した矢印は外部磁界の向きを示す。また、図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）において、実線の矢印は感度軸の向きを示す。また、センサ部１２Ａおよびセンサ部１２Ｂのピン（端子）のうちで同じ番号が付されているものは、それぞれ同じ機能を有する要素に接続されることを示す。

また、本実施の形態の電流センサ１０において、第一の磁気センサ１１Ａにおけるセンサ部１２Ａのピン（端子）の配置と、第二の磁気センサ１１Ｂにおけるセンサ部１２Ｂのピン（端子）の配置とは、被測定電流が通流する方向に垂直な面において二次元の線対称の関係にある（図１１（Ａ）参照）。また、第一の磁気センサ１１Ａにおけるセンサ部１２Ａに接続される配線と、第二の磁気センサ１１Ｂにおけるセンサ部１２Ｂに接続される配線とは、被測定電流が通流する方向に垂直な面において二次元の線対称の関係にある。同様に、第一の磁気センサ１１Ａが有する回路部１３Ａと、第二の磁気センサ１１Ａが有する回路部１３Ｂとは、被測定電流が通流する方向に垂直な面において二次元の線対称の関係にある。なお、この場合、対称軸１７は、被測定電流が通流する方向に垂直な面において、一部が電流線１５と重なるように存在する。

このような対称関係を有することにより、外部磁界によって第一の磁気センサ１１Ａが受ける影響と、第二の磁気センサ１１Ｂが受ける影響とを概ね等しくできるため、差動演算によって外部磁界の影響を十分に除去して、測定精度の低下を抑制することができる。

なお、上記の表現は、電流センサ１０を二次元的にみた場合の一例に過ぎないから、他の表現も可能である。例えば、第一の磁気センサ１１Ａにおけるセンサ部１２Ａに接続される配線と、第二の磁気センサ１１Ｂにおけるセンサ部１２Ｂに接続される配線とが、被測定電流が通流する方向に平行な面を対称面とする面対称の関係にあり、第一の磁気センサ１１Ａが有する回路部１３Ａと、第二の磁気センサ１１Ｂが有する回路部１３Ｂとが、被測定電流が通流する方向に平行な面を対称面とする面対称の関係にある、ということができる。また、第一の磁気センサ１１Ａの回路部１３Ａや配線と、第二の磁気センサ１１Ｂの回路部１３Ｂや配線とが、外部磁界の向きに対して同じ構成で配置されている、と表現することも可能である。

次に、第一の磁気センサ１１Ａおよび第二の磁気センサ１１Ｂにおける、センサ部１２Ａ、１２Ｂや、回路部１３Ａ、１３Ｂの構成およびその接続関係について説明する。図１２は、第一の磁気センサ１１Ａおよび第二の磁気センサ１１Ｂの構成を示す回路図である。図１２の回路図は、図１１の模式図に対応するものであり、ハッチを付した矢印は外部磁界の向きを示している。

センサ部１２Ａ、１２Ｂ、回路部１３Ａ、１３Ｂの基本的な構成および接続関係の詳細は、実施の形態１の記載や図４などを参酌すればよいから、詳細は省略する。ただし、本実施の形態の第二の磁気センサ１１Ｂにおいては、図４において差動・電流アンプとして用いたオペアンプと、Ｉ／Ｖアンプとして用いたオペアンプとを入れ替えて用いる。つまり、本実施の形態において、第一の磁気センサ１１Ａの回路部１３Ａと、第二の磁気センサ１１Ｂの回路部１３Ｂとは、図１２に示す面内（被測定電流が通流する方向に平行な面内）において１８０°回転させた関係となるように配置させる。この場合、回路部１３Ａのピン（１、２、３、５、６、７）は、回路部１３Ｂのピン（７、６、５、３、２、１）にそれぞれ相当する。このような態様で回路部１３Ａおよび回路部１３Ｂを配置するのは、配線の対称性（被測定電流が通流する方向に垂直な面における二次元の線対称の関係）をできる限り確保するためである。なお、回路部１３Ａと回路部１３Ｂに同じ構成のオペアンプを用いるのではなく、回路部１３Ａと回路部１３Ｂとが上述の対称性を有するようにこれらの設計を変更して、第一の磁気センサ１１Ａと第二の磁気センサ１１Ｂとの対称性をさらに高めても良い。

なお、センサ部１２Ａとセンサ部１２Ｂは、互いのピンの配置が、上述の対称関係を有するように設計されるため、その構成は互いに異なる。しかし、外部磁界に対する対称性は高いため、外部磁界の影響を同等にするという観点からは好適である。

以上のように、少なくとも一対の磁気センサの配線または回路の一部を、被測定電流が通流する方向に垂直な面において二次元の線対称の関係を有するように配置することで、外部磁界からの影響を等しくして、適切な差動演算を実現することができる。

なお、ここでは第一の磁気センサ１１Ａおよび第二の磁気センサ１１Ａとして磁気平衡式センサを用いたが、磁気比例式センサを用いても良い。また、図１１、図１２に係る電流センサ１０の構成は一例にすぎず、他の構成を採用することも当然に可能である。

本発明の電流センサは、例えば、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知するために用いることが可能である。

本出願は、２０１０年９月１３日出願の特願２０１０−２０４７１９に基づく。この内容は、全てここに含めておく。

Claims

被測定電流が通流する電流線と、
センサ部と、前記センサ部に接続された配線と、をそれぞれ有する一対の磁気センサと、
前記一対の磁気センサに接続され、前記一対の磁気センサの出力信号を差動演算する演算装置と、
を具備し、
前記一対の磁気センサにおいて、前記センサ部は、それぞれの感度軸方向が同じになるように配置され、前記一対の磁気センサの前記配線は、前記被測定電流が通流する方向に垂直な面において、互いに対称の関係を有するように配置されたことを特徴とする電流センサ。
前記一対の磁気センサの前記配線は、前記被測定電流が通流する方向に垂直な面において、互いに二次元の点対称の関係を有するように配置されたことを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
前記一対の磁気センサの前記配線は、前記被測定電流が通流する方向に垂直な面において、互いに二次元の線対称の関係を有するように配置されたことを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
前記一対の磁気センサの前記センサ部は、その構成が互いに異なることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一に記載の電流センサ。