JPWO2013105451A1

JPWO2013105451A1 - 電流センサ

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Publication number: JPWO2013105451A1
Application number: JP2013553248A
Authority: JP
Inventors: 雅俊野村
Original assignee: Alps Green Devices Co Ltd
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Priority date: 2012-01-12
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2015-05-11
Anticipated expiration: 2032-12-27
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Abstract

オフセット及び感度を一度に精度良く調整可能な電流センサを提供すること。磁界を電圧に変換して出力端から出力する磁電変換回路（１１）と、磁電変換回路の出力端に接続された緩衝増幅回路（１２）と、緩衝増幅回路の出力を調整する調整回路（１３）と、を備え、調整回路は、調整された電圧を出力端から出力する第１調整部（１３１）と、緩衝増幅回路の増幅率を調整可能な第２調整部（１３３）と、第１調整部の出力端と第２調整部との間に設けられた緩衝回路（１３２）とを有し、第１調整部の出力する電圧によって、緩衝増幅回路の出力のオフセットが調整されることを特徴とする。

Description

本発明は、被測定電流を非接触で測定可能な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、これらの用途向けに大電流を非接触で測定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、磁気検出素子を用いて検出する方式のものが提案されている。

磁気検出素子を用いる電流センサにおいて、磁気検出素子の感度は素子ごとに異なるため、被測定電流に対応する所望のセンサ出力を得るにはゲイン（感度）調整及びオフセット（被測定電流が０Ａの時のセンサ出力の基準値からのずれ量）調整が必要となる。例えば、特許文献１には、感度調整による磁気検出素子の駆動電流の変化をなくし、オフセット電圧の変化を防止することで調整を簡素化した電流センサが提案されている。

特開２０１０−１２７６３６号公報

特許文献１に記載される電流センサは、センサ出力を測定しながらオフセット調整用の抵抗を調整する工程と、センサ出力を測定しながら感度調節用の抵抗を調節する工程とを経て調整される。つまり、この電流センサの調整においては、センサ出力の測定値に合わせて調整用の抵抗を変化させる工程を少なくとも２回行う必要がある。このように、特許文献１に記載される電流センサでは、調整用の抵抗値を一度に調整することができないため、調整に時間が掛かってしまうという問題がある。また、この電流センサでは、センサ出力を測定しながら抵抗値を調節するため、抵抗値を徐々に変化させることができる抵抗を用いなくてはならないという問題もある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、オフセット及び感度を一度に精度良く調整可能な電流センサを提供することを目的とする。

本発明の電流センサは、磁界を電圧に変換して出力端から出力する磁電変換回路と、前記磁電変換回路の出力端に接続された緩衝増幅回路と、前記緩衝増幅回路の出力を調整する調整回路と、を備え、前記調整回路は、調整された電圧を出力端から出力する第１調整部と、前記緩衝増幅回路の増幅率を調整可能な第２調整部と、前記第１調整部の出力端と前記第２調整部との間に設けられた緩衝回路とを有し、前記第１調整部の出力する電圧によって、前記緩衝増幅回路の出力のオフセットが調整されることを特徴とする。

この構成によれば、緩衝増幅回路の出力のオフセットを調整するための第１調整部と、緩衝増幅回路の増幅率を調整するための第２調整部との間に緩衝回路を設けているため、第１調整部の出力調整により行われるオフセット調整工程が、第２調整部により行われる感度調整工程の影響を受けずに済む。これにより、オフセット及び感度を一度に精度良く調整可能である。しかも、緩衝増幅回路にオフセットを調整する為の専用の端子を設ける必要もない。また、緩衝増幅回路内の定数バランスを崩さないため、温度特性等の増幅回路の特性悪化を防止できる。

本発明の電流センサにおいて、前記緩衝増幅回路は、前記磁電変換回路と接続される第１入力端と、前記調整回路と接続される第２入力端と、出力端とを備えたオペアンプであり、前記第２調整部は、前記緩衝回路に直列に接続された第３調整抵抗及び第４調整抵抗を有し、前記緩衝増幅回路と前記第４調整抵抗とが並列に接続されていることが好ましい。この構成によれば、簡単な回路構成で、磁電変換回路が、緩衝増幅回路の出力端側の状態の影響を受けなくなる。また、磁電変換回路が、調整回路側の状態の影響を受けなくなる。

本発明の電流センサにおいて、前記第１調整部は、電圧源とグランドとの間に直列に接続された第１調整抵抗及び第２調整抵抗を有し、前記第１調整抵抗及び前記第２調整抵抗の接続点が前記緩衝回路の入力端に接続されることが好ましい。

本発明の電流センサにおいて、前記磁電変換回路は、磁界に応じて電気的特性が変化する感磁素子を有するブリッジ回路と、入力端が前記ブリッジ回路と接続され、前記ブリッジ回路の測定した磁界に応じて電流を発生させる増幅回路と、一端が前記増幅回路の出力端と接続されたコイルと、前記コイルの他端と接続され、前記コイルを流れる電流に応じた電圧を生じる電流電圧変換回路と、を備え、前記増幅回路は、前記感磁素子に印加される磁界を打ち消すような磁界を発生するように前記コイルを通流する電流を制御することが好ましい。この構成によれば、磁電変換回路は低インピーダンス出力となるが、磁電変換回路と調整回路との間に緩衝増幅回路を設けているため、調整回路に起因する電流測定精度の悪化を防止できる。また、磁電変換回路と調整回路との間に緩衝増幅回路を設けているため、コイルを流れる電流が電流電圧変換回路より後段の回路の影響を受けずに済む。これにより、被測定電流による誘導磁界が小さい場合に、微小なコイル電流を高精度に電流電圧変換することができる。

本発明の電流センサにおいて、前記感磁素子は、磁気抵抗効果素子であっても良い。

本発明の電流センサにおいて、前記緩衝回路は、オペアンプであることが好ましい。

本発明の電流センサの調整方法は、磁界を電圧に変換して出力端から出力する磁電変換回路と、前記磁電変換回路の出力端の電圧を調整するための調整回路と、前記磁電変換回路の出力端に接続された緩衝増幅回路と、を備え、前記調整回路は、調整された電圧を出力端から出力する第１調整部と、前記第１調整部の出力端と前記第２調整部の入力端との間に設けられた緩衝回路と、を備え、測定対象の電流路を通流する被測定電流の電流値が異なる２つの状態について、緩衝増幅回路の出力端の電圧値を測定する工程と、前記測定された緩衝増幅回路の出力端の２つの電圧値に基づいて、前記第１調整部及び前記第２調整部の出力を同時に調整する工程と、を備えたことを特徴とする。

本発明により、オフセット及び感度を一度に精度良く調整可能な電流センサを提供できる。

本実施の形態に係る電流センサの構成概略を示す模式図である。本実施の形態に係る電流センサの構成例を示す回路図である。本実施の形態に係る電流センサの調整抵抗の構成例を示す回路図である。

オフセットと感度とを調整可能な電流センサにおいてオフセット調整工程と感度調整工程とをそれぞれ別に行う必要があるのは、一方の調整工程が他方の調整工程に影響を与えるようになっているためである。本発明者は、この点に着目し、オフセット調整用のオフセット調整部と感度調整用の感度調整部との接続関係を工夫することで、一方の調整工程が他方の調整工程に影響を与えないようにできることを見出して本発明を完成させた。

すなわち、本発明の骨子は、調整回路において、オフセット調整部の出力が感度調整部の回路状態の影響を受けないように、オフセット調整部と感度調整部との間にインピーダンスを変換するバッファ回路（緩衝回路）を設けることにある。これにより、オフセット調整部の出力が感度調整部の回路状態の影響を受けないため、オフセット調整工程から感度調整工程の影響を排除して、オフセットと感度とを一度に精度良く調整できる。以下、本発明の電流センサについて添付図面を参照して説明する。

図１は、本実施の形態に係る磁気平衡式電流センサの構成例を示す模式図である。図２は、本実施の形態に係る電流センサの構成例を示す回路図である。図１に示すように、本実施の形態の電流センサ１は、被測定電流Ｉが通流する導体（電流路）２の近傍に配置されている。図１及び図２に示すように、電流センサ１は、被測定電流Ｉによる誘導磁界Ａを電力に変換する磁電変換回路１１と、磁電変換回路１１と接続されるバッファ回路（緩衝増幅回路）１２と、バッファ回路１２と接続され、オフセット及び感度の調整に用いられる調整回路１３とを含んで構成されている。

磁電変換回路１１は、ブリッジ回路１１１と、差動・電流アンプ（電圧電流変換回路）１１２と、フィードバックコイル１１３と、Ｉ／Ｖアンプ（増幅回路、電流電圧変換回路）１１４とを含む。

磁電変換回路１１において、ブリッジ回路１１１は、被測定電流Ｉによる誘導磁界Ａを検出できるように、４個の磁気抵抗効果素子Ｍ１〜Ｍ４を含んで構成されている。磁気抵抗効果素子Ｍ１〜Ｍ４は、外部磁界が印加されることで抵抗値が変化するＧＭＲ（ＧｉａｎｔＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子、ＴＭＲ（ＴｕｎｎｅｌＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子などである。磁気抵抗効果素子Ｍ１〜Ｍ４を含むブリッジ回路１１１により、被測定電流Ｉによる誘導磁界Ａを高感度に検出可能な磁気平衡式の電流センサ１を実現できる。

ブリッジ回路１１１において、磁気抵抗効果素子Ｍ１，Ｍ３の接続点には電源電圧Ｖ_ｄｄを与える電源（電圧源）が接続されている。また、磁気抵抗効果素子Ｍ２，Ｍ４の接続点には接地電圧ＧＮＤ（０Ｖ）を与えるグランドが接続されている。磁気抵抗効果素子Ｍ１，Ｍ２の接続点からはブリッジ回路１１１の第１出力Ｏｕｔ１が取り出され、磁気抵抗効果素子Ｍ３，Ｍ４の接続点からはブリッジ回路１１１の第２出力Ｏｕｔ２が取り出されている。これら２個の出力の電圧差は、ブリッジ回路１１１に加わる磁界に対応するように構成されている。なお、ブリッジ回路１１１は、外部磁界により抵抗値が変化しない固定抵抗素子などを含んで構成されても良い。

ブリッジ回路１１１の後段には、ブリッジ回路１１１の第１出力Ｏｕｔ１と第２出力Ｏｕｔ２との電圧差を増幅して電流を発生する差動・電流アンプ（増幅回路）１１２が接続されている。つまり、差動・電流アンプ１１２は、ブリッジ回路１１１の第１出力Ｏｕｔ１と第２出力Ｏｕｔ２との電圧差から、ブリッジ回路１１１に加わる磁界に対応する電流を発生させる。

差動・電流アンプ１１２の後段には、フィードバックコイル１１３が接続されている。フィードバックコイル１１３は、例えば、渦巻状の平面的な導電パターンによって構成されている。この導電パターンに差動・電流アンプ１１２からの電流（フィードバック電流）が流れることで、被測定電流Ｉによる誘導磁界Ａに対応する逆向きのキャンセル磁界Ｂを発生できるようになっている。ただし、フィードバックコイル１１１の形状などは特に限定されない。

フィードバックコイル１１３には、フィードバック電流を電圧に変換するＩ／Ｖアンプ（電流電圧変換回路）１１４が接続されている。このＩ／Ｖアンプ１１４は２個の入力端と１個の出力端とを有するオペアンプ１１４ａを含んで構成されており、その入力端の一方がフィードバックコイル１１３と接続されている。オペアンプ１１４ａの他方の入力端は、それぞれの一端において接続された抵抗値が等しい２個の抵抗素子１１５ａ，１１５ｂの接続点と接続されている。なお、抵抗素子１１５ａ，１１５ｂの抵抗値は異なっていても良い。抵抗素子１１５ａの他端には電源電圧Ｖ_ｄｄを与える電源が接続されており、抵抗素子１１５ｂの他端には接地電圧ＧＮＤ（０Ｖ）を与えるグランドが接続されている。これにより、オペアンプ１１４ａの他方の入力端には、電源電圧Ｖ_ｄｄの１／２に相当する参照電圧が与えられるようになっている。オペアンプ１１４ａの出力端は抵抗素子１１４ｂを介してオペアンプ１１４ａの他方の入力端と接続されている。このオペアンプ１１４ａの出力が、Ｉ／Ｖアンプ１１４の出力となる。

この磁電変換回路１１において、ブリッジ回路１１１が被測定電流Ｉによる誘導磁界Ａを受けると、それに応じて第１出力Ｏｕｔ１と第２出力Ｏｕｔ２との電圧差が発生する。このとき、差動の電流アンプ１１２は、電圧差に応じた電流を発生させてフィードバックコイル１１３に流す。フィードバックコイル１１３に電流が流れると、フィードバックコイル１１３の周囲には被測定電流Ｉによる誘導磁界Ａを相殺するようにキャンセル磁界Ｂが発生する。フィードバックコイル１１３を流れる電流は、Ｉ／Ｖアンプ１１４によって電圧に変換される。誘導磁界Ａとキャンセル磁界Ｂとが相殺された平衡状態においてＩ／Ｖアンプ１１４から出力される電圧は、被測定電流Ｉに対応する大きさとなる。

Ｉ／Ｖアンプ１１４の出力端、すなわち、磁電変換回路１１の出力端は、バッファ回路（緩衝増幅回路）１２の入力端に接続されている。バッファ回路１２は２個の入力端と１個の出力端とを有するオペアンプによって構成されており、Ｉ／Ｖアンプ１１４の出力端は、その一方の入力端に接続されている。

バッファ回路１２の他方の入力端及び出力端には、電流センサ１におけるオフセット（被測定電流が０Ａの時のセンサ出力の基準値からのずれ量）及び感度を調整するための調整回路１３が接続されている。これにより、一方の入力端に印加される磁電変換回路１１の出力電圧を、他方の入力端及び出力端に接続される調整回路１３によって調整し、出力端から出力できるようになっている。

バッファ回路１２の２個の入力端間のインピーダンスは、一方の入力端に接続される回路に対して、他方の入力端に接続される回路が干渉しない程度に高くなっている。つまり、バッファ回路１２は、磁電変換回路１１の出力端の電圧が、調整回路１３の調整状態の影響を受けない程度に高インピーダンス入力に構成されている。言い換えれば、バッファ回路１２によって、磁電変換回路１１と調整回路１３とが分離されている。

また、バッファ回路１２において、入力端と出力端との間のインピーダンスは、入力端に接続される回路に対して、出力端に接続される回路が干渉しない程度に高くなっている。つまり、バッファ回路１２は、磁電変換回路１１の出力端の電圧が、バッファ回路１２の出力端の電圧の影響を受けない程度に高インピーダンスに構成されている。バッファ回路１２の出力端の電圧が、磁電変換回路１１と接続される一方の入力端の電圧に影響を与えないようになっている。これにより、磁電変換回路１１の出力電圧は、バッファ回路１２の後段に接続される回路の影響を受けずに済む。その結果、バッファ回路１２の後段に接続される回路の影響を受けて磁電変換回路１１の出力電圧が変動し、電流測定精度が低下することを防止できる。

調整回路１３は、オフセット調整用のオフセット調整部（第１調整部）１３１と、オフセット調整部１３１と接続されるバッファ回路（緩衝回路）１３２と、バッファ回路１３２と接続される感度調整部（第２調整部）１３３とで構成されている。

オフセット調整部１３１は、２個の抵抗素子が並列に接続された調整抵抗１３１ａと、２個の抵抗素子が並列に接続された調整抵抗１３１ｂとを含む。調整抵抗１３１ａの一端と、調整抵抗１３１ｂの一端とは接続されており、この接続点がオフセット調整部１３１の出力端として後段のバッファ回路１３２に接続されている。調整抵抗１３１ａの他端には電源が接続されており、調整抵抗１３１ｂの他端にはグランドが接続されている。これにより、バッファ回路１３２には、調整抵抗１３１ａ，１３１ｂの抵抗値によって決定される電圧が与えられるようになっている。

オフセット調整部１３１において、調整抵抗１３１ａ，１３１ｂを構成する２個の抵抗素子のうち、一方の抵抗素子は補正時に追加されるように構成されている。これにより、抵抗素子を追加して調整抵抗１３１ａ，１３１ｂの合成抵抗値を調節し、電流センサ１のオフセットを調整できるようになっている。この構成の場合、抵抗素子を追加するだけで簡便に補正できる。なお、調整抵抗１３１ａ，１３１ｂは、抵抗素子を交換できるように構成されていても良い。また、調整抵抗１３１ａ，１３１ｂの構成は、２個の抵抗素子が並列に接続された構成に限らず適宜変更可能である。調整抵抗１３１ａ，１３１ｂを、それぞれ単一の抵抗素子で実現しても良い。

バッファ回路１３２は２個の入力端と１個の出力端とを有するオペアンプによって構成されており、オフセット調整部１３１の出力端は、その一方の入力端に接続されている。バッファ回路１３２の出力端は、他方の入力端に接続されている。これにより、オフセット調整部１３１の出力電圧に対応した電圧を出力するボルテージフォロワ回路が構成されている。

バッファ回路１３２の出力端には、感度調整部１３３の入力端が接続されている。バッファ回路１３２において、入力端と出力端との間のインピーダンスは、入力端に接続される回路に対して、出力端に接続される回路が干渉しない程度に高くなっている。また、バッファ回路１３２は、オフセット調整部１３１の出力端の電圧が、感度調整部１３３の入力端の電流の影響を受けないようにインピーダンス変換する構成となっている。感度調整部１３３と接続される出力端の電流が、オフセット調整部１３１と接続される一方の入力端の電圧に影響を与えないようになっている。

これにより、オフセット調整部１３１の出力は、感度調整部１３３の回路状態の影響を受けずに済む。言い換えれば、バッファ回路１３２によって、オフセット調整部１３１と感度調整部１３３とが分離されている。その結果、オフセット調整部１３１と感度調整部１３３とを同時に最適化でき、オフセット及び感度を一度に精度良く調整できる。なお、オフセット調整部１３１と感度調整部１３３との最適化は、厳密に同時である必要はない。例えば、オフセット調整部１３１と感度調整部１３３との調整を、間に測定工程を挟まず連続的に行う場合などを含む。

感度調整部１３３は、２個の抵抗素子が並列に接続された調整抵抗１３３ａと、２個の抵抗素子が並列に接続された調整抵抗１３３ｂとを含む。調整抵抗１３３ａの一端と、調整抵抗１３３ｂの一端とは接続されており、この接続点がバッファ回路１２の他方の入力端に接続されている。調整抵抗１３３ａの他端には、バッファ回路１３２の出力端が接続されている。調整抵抗１３３ｂの他端にはバッファ回路１２の出力端が接続されている。

感度調整部１３３において、調整抵抗１３３ａ，１３３ｂを構成する２個の抵抗素子のうち、一方の抵抗素子は補正時に追加されるように構成されている。これにより、抵抗素子を追加して調整抵抗１３３ａ，１３３ｂの合成抵抗値を調節し、電流センサ１の感度を調整できるようになっている。この構成の場合、抵抗素子を一度追加するだけで簡便に補正できる。なお、調整抵抗１３１ａ，１３１ｂは、抵抗素子を交換できるように構成されていても良い。また、調整抵抗１３３ａ，１３３ｂの構成は、２個の抵抗素子が並列に接続された構成に限らず適宜変更可能である。調整抵抗１３３ａ，１３３ｂを、それぞれ単一の抵抗素子で実現しても良い。

上述のように、調整抵抗１３３ａ，１３３ｂの接続点はバッファ回路１２の他方の入力端に接続されており、調整抵抗１３３ｂの他端にはバッファ回路１２の出力端が接続されている。これにより、バッファ回路１２は、調整回路１３により磁電変換回路１１の出力を調整し、出力端から出力できるようになっている。このバッファ回路１２の出力が、電流センサ１の出力となる。

次に、電流センサ１におけるオフセット調整及び感度調整について説明する。上述のように構成された電流センサ１において、Ｉ／Ｖアンプ１１４の出力端の電圧値Ｖ_ＩＶは、下記式（１）で表される。式（１）において、Ｖ_ｒｅｆはオペアンプ１１４ａの他方の入力端に与えられる参照電圧の電圧値（＝Ｖ_ｄｄ／２）を示し、Ｒ_ｓは抵抗素子１１４ｂの抵抗値を示し、Ｉ_ｃｏｉｌはフィードバックコイル１１３を流れるフィードバック電流の電流値を示す。

また、バッファ回路１２の出力端の電圧値Ｖ_ｏｕｔは、下記式（２）で表される。式（２）において、Ｖ_ｏｆｓはバッファ回路１３２の出力端の電圧値を示し、Ｒ_ａは感度調整部１３３の調整抵抗１３３ａの抵抗値を示し、Ｒ_ｂは感度調整部１３３の調整抵抗１３３ｂの抵抗値を示す。

また、バッファ回路１３２の出力端の電圧値Ｖ_ｏｆｓは、下記式（３）で表される。式（３）において、Ｒ_ｃはオフセット調整部１３１の調整抵抗１３１ａの抵抗値を示し、Ｒ_ｄはオフセット調整部１３１の調整抵抗１３１ｂの抵抗値を示す。

式（１）〜式（３）から、バッファ回路１２の出力端の電圧値Ｖ_ｏｕｔは、下記式（４）のようになる。

式（４）に示すように、バッファ回路１２の出力端の電圧値Ｖ_ｏｕｔは、感度調整部１３３の調整抵抗１３３ａの抵抗値Ｒ_ａ、調整抵抗１３３ｂの抵抗値Ｒ_ｂ、オフセット調整部１３１の調整抵抗１３１ａの抵抗値Ｒ_ｃ、調整抵抗１３１ｂの抵抗値Ｒ_ｄを用いて表される。このため、異なる複数の状態の出力電圧値Ｖ_ｏｕｔを測定することで、目的とする感度特性及びオフセット特性に適合するように調整抵抗１３１ａ，１３１ｂ，１３３ａ，１３３ｂの抵抗値を決定できる。

より具体的な調整方法の例について説明する。まず、下記式（５）に示すように、初期状態の感度調整部１３３の調整抵抗１３３ａの抵抗値Ｒ_ａ１と、初期状態の感度調整部１３３の調整抵抗１３３ｂの抵抗値Ｒ_ｂ１とを等しく設定する。

この時、バッファ回路１３２の出力端の電圧値Ｖ_ｏｆｓは、下記式（６）で表される。

また、フィードバックコイル１１３を流れるフィードバック電流は、誘導磁界のセンシングにより生じた電流と、オフセット電流とで構成されている。このため、電流値Ｉ_ｃｏｉｌは、下記式（７）に示すように、センシングによる電流値Ｉ_ｓｅｎｓと、オフセット電流値Ｉ_ｏｆｓとの和になる。

また、１００Ａ測定時（被測定電流の電流値が１００Ａ）の目標感度Ｇ_ｓｅｔ（ｍＶ／Ａ）を設定する。Ｇ_ｓｅｔは、下記式（８）で表される。Ｇ_ｓｅｔは、被測定電流の電流値に対する電流センサ１の出力電圧値の比を表している。式（８）において、Ｉ_ｓｅｎｓ（１００）は被測定電流が１００Ａの場合にセンシングにより生じる電流値を示し、Ｒ_ａ２は調整後における感度調整部１３３の調整抵抗１３３ａの抵抗値（目標感度を達成するための調整抵抗１３３ａの抵抗値）を示し、Ｒ_ｂ２は調整後における感度調整部１３３の調整抵抗１３３ｂの抵抗値（目標感度を達成するための調整抵抗１３３ｂの抵抗値）を示す。

次に、上述した初期状態において、被測定電流が０Ａ，１００Ａの場合の出力電圧値Ｖ_ｏｕｔを測定する。被測定電流が０Ａの場合の出力電圧値Ｖ_ｏｕｔ（０）と被測定電流が１００Ａの場合の出力電圧値Ｖ_ｏｕｔ（１００）とは、それぞれ、下記式（９），（１０）で表される。

式（９），（１０）から、Ｉ_ｏｆｓとＩ_ｓｅｎｓ（１００）とは、それぞれ、下記式（１１），（１２）のように求められる。

式（８）から、目標感度を達成するためのＲ_ａ２，Ｒ_ｂ２の比は、下記式（１３）のように表される。よって、上記式（１２）及び下記式（１３）から、目標感度を達成するためのＲ_ａ２，Ｒ_ｂ２の関係を決定できる。

一方、オフセットをゼロにするように電流センサ１を調整する場合、つまり、Ｖ_ｏｕｔ（０）をゼロ磁界における理想的な出力Ｖｄｄ／２にするように電流センサ１を調整する場合、出力電圧値Ｖ_ｏｕｔ（０）について下記式（１４）が成り立つ。式（１４）において、Ｒ_ｃ２は調整後におけるオフセット調整部１３１の調整抵抗１３１ａの抵抗値（目標のオフセットを達成するための調整抵抗１３１ａの抵抗値）を示し、Ｒ_ｄ２は調整後におけるオフセット調整部１３１の調整抵抗１３１ｂの抵抗値（目標のオフセットを達成するための調整抵抗１３１ｂの抵抗値）を示す。

式（１４）から、目標のオフセットを達成するためのＲ_ｃ２，Ｒ_ｄ２は、下記式（１５）のように表される。よって、上記式（１１）及び下記式（１５）から、目標のオフセットを達成するためのＲ_ｃ２，Ｒ_ｄ２の関係を決定できる。

その後、上述のように算出された抵抗値（Ｒ_ａ２，Ｒ_ｂ２，Ｒ_ｃ２，Ｒ_ｄ２）の関係を実現するように、調整抵抗１３１ａ，１３１ｂ，１３３ａ，１３３ｂを構成する抵抗素子を追加する。これにより、電流センサ１の感度特性及びオフセット特性が調整されて、目的とするオフセット特性及び感度特性が実現できる。

以上のように、本実施の形態の電流センサ１は、オフセット調整部１３１の出力端の電圧が感度調整部１３３の入力端の電流の影響を受けないようにインピーダンス変換するバッファ回路１３２を用いている。より具体的には、オフセット調整部１３１を構成する調整抵抗１３１ａ，１３１ｂと、感度調整部１３３を構成する調整抵抗１３３ａ，１３３ｂとの間に、入出力端間が高インピーダンスであるバッファ回路１３２を設けている。このため、オフセット調整部１３１の出力調整により行われるオフセット調整工程が、感度調整部１３３の出力調整により行われる感度調整工程の影響を受けずに済む。これにより、オフセット及び感度を一度に精度良く調整可能である。

なお、本実施の形態の電流センサ１は、磁電変換回路１１と調整回路１３との間にバッファ回路１２を有しているため、電流電圧変換の基準電圧Ｖ_ｒｅｆをＶ_ｄｄ／２に保つことができる。このため、Ｖ_ｄｄまたはＧＮＤとＶ_ｒｅｆとの間の電位差及びコイル抵抗によって決まるコイル電流の最大値を、回路構成上の最大値（Ｖ_ｄｄ／２に対応する電流値）とすることができる。これにより、被測定電流による誘導磁界が大きい場合でも、コイルに大電流を流して磁気抵抗効果素子が受ける磁界を小さくできる。その結果、大きな誘導磁界に起因する磁気抵抗効果素子のヒステリシスを防止し、磁気抵抗効果素子を用いた電流センサ１の電流精度の悪化を防止できる。

次に、調整抵抗１３３ａ，１３３ｂの構成例について、図３を参照して説明する。図３は、調整抵抗１３３ａ，１３３ｂの構成例を示す回路図である。なお、調整抵抗１３１ａ，１３１ｂの構成例は、調整抵抗１３３ａ，１３３ｂの構成例と同様であり、図３に示す構成を適用できる。

図３Ａは、調整抵抗１３３ａが単一の抵抗素子で構成され、調整抵抗１３３ｂが並列に接続された２個の抵抗素子により構成される例を示している。この場合、調整抵抗１３３ａと比較して調整抵抗１３３ｂの抵抗値をより細かく調整可能である。なお、調整抵抗１３３ｂを単一の抵抗素子で構成し、調整抵抗１３３ａを並列に接続された２個の抵抗素子で構成するようにして良い。図３Ｂは、調整抵抗１３３ａ，１３３ｂが、いずれも並列に接続された２個の抵抗素子により構成される例を示している。この場合、調整抵抗１３３ａ，１３３ｂの抵抗値を共に細かく調整可能である。

図３Ｃは、調整抵抗１３３ａ，１３３ｂが、いずれも並列に接続された３個の抵抗素子により構成される例を示している。この場合、調整抵抗１３３ａ，１３３ｂの抵抗値をさらに細かく調整可能である。なお、調整抵抗１３３ａ，１３３ｂを構成する抵抗素子の数は、４個以上としても良い。並列に接続される抵抗素子の数を増やすことで、調整抵抗１３３ａ，１３３ｂの抵抗値をより細かく調整可能になる。図３Ｄは、調整抵抗１３３ａ，１３３ｂが、いずれも並列に接続された２個の抵抗素子と、直列に接続された１個の抵抗素子とで構成される例を示している。この場合、並列に接続される抵抗素子を追加、又は変更することで、調整抵抗１３３ａ，１３３ｂの抵抗値を微調整できる。

このように、本実施の形態の電流センサ１は、調整抵抗１３１ａ，１３１ｂ，１３３ａ，１３３ｂを構成する抵抗素子の組合せによって調整抵抗１３１ａ，１３１ｂ，１３３ａ，１３３ｂの抵抗値を調整し、オフセット及び感度を調整できる。このため、本実施の形態の電流センサ１では、抵抗値が徐々に変化するような抵抗を用いる必要がなくなる。例えば、ボリューム抵抗などのように、振動や経時変化の影響を受けることがない。また、レーザートリミングなどのように、補正の際に高額な装置を用いる必要もない。このため、安定した補正を低コストに実現可能である。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することができる。例えば、オフセット及び感度を調整するための調整抵抗として、並列接続される抵抗をスイッチで切り替えられるようにＩＣ化した抵抗を用いても良い。また、電流センサを構成するオペアンプとして、ＩＣ化されたものを用いることができる。この点において、オペアンプが４個である実施の形態の電流センサ１は、オペアンプを２個又は４個含む１個のＩＣパッケージを用いて実現できる点で好適である。また、上記実施の形態では、被測定電流が１００Ａの場合を基準に感度を調整しているが、基準となる電流値は任意に設定できる。

また、上記実施の形態における各素子の接続関係、大きさなどは、発明の趣旨を変更しない限りにおいて変更可能である。また、上記実施の形態に示す構成、方法などは、適宜組み合わせて実施可能である。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できる。

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などのモータ駆動用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、２０１２年１月１２日出願の特願２０１２−４０１６に基づく。この内容は、全てここに含めておく。

本発明の電流センサの調整方法は、磁界を電圧に変換して出力端から出力する磁電変換回路と、前記磁電変換回路の出力端の電圧を調整するための調整回路と、前記磁電変換回路の出力端に接続された緩衝増幅回路と、を備え、前記調整回路は、調整された電圧を出力端から出力する第１調整部と、前記緩衝増幅回路の増幅率を調整可能な第２調整部と、前記第１調整部の出力端と前記第２調整部の入力端との間に設けられた緩衝回路と、を備え、測定対象の電流路を通流する被測定電流の電流値が異なる２つの状態について、緩衝増幅回路の出力端の電圧値を測定する工程と、前記測定された緩衝増幅回路の出力端の２つの電圧値に基づいて、前記第１調整部及び前記第２調整部の出力を同時に調整する工程と、を備えたことを特徴とする。

感度調整部１３３において、調整抵抗１３３ａ，１３３ｂを構成する２個の抵抗素子のうち、一方の抵抗素子は補正時に追加されるように構成されている。これにより、抵抗素子を追加して調整抵抗１３３ａ，１３３ｂの合成抵抗値を調節し、電流センサ１の感度を調整できるようになっている。この構成の場合、抵抗素子を一度追加するだけで簡便に補正できる。なお、調整抵抗１３３ａ，１３３ｂは、抵抗素子を交換できるように構成されていても良い。また、調整抵抗１３３ａ，１３３ｂの構成は、２個の抵抗素子が並列に接続された構成に限らず適宜変更可能である。調整抵抗１３３ａ，１３３ｂを、それぞれ単一の抵抗素子で実現しても良い。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することができる。例えば、オフセット及び感度を調整するための調整抵抗として、並列接続される抵抗をスイッチで切り替えられるようにＩＣ化した抵抗を用いても良い。また、電流センサを構成するオペアンプとして、ＩＣ化されたものを用いることができる。この点において、オペアンプが４個である実施の形態の電流センサ１は、オペアンプを２個含む２個のＩＣパッケージ又は４個含む１個のＩＣパッケージを用いて実現できる点で好適である。また、上記実施の形態では、被測定電流が１００Ａの場合を基準に感度を調整しているが、基準となる電流値は任意に設定できる。

Claims

磁界を電圧に変換して出力端から出力する磁電変換回路と、前記磁電変換回路の出力端に接続された緩衝増幅回路と、前記緩衝増幅回路の出力を調整する調整回路と、を備え、
前記調整回路は、調整された電圧を出力端から出力する第１調整部と、前記緩衝増幅回路の増幅率を調整可能な第２調整部と、前記第１調整部の出力端と前記第２調整部との間に設けられた緩衝回路とを有し、
前記第１調整部の出力する電圧によって、前記緩衝増幅回路の出力のオフセットが調整されることを特徴とする電流センサ。
前記緩衝増幅回路は、前記磁電変換回路と接続される第１入力端と、前記調整回路と接続される第２入力端と、出力端とを備えたオペアンプであり、
前記第２調整部は、前記緩衝回路に直列に接続された第３調整抵抗及び第４調整抵抗を有し、前記緩衝増幅回路と前記第４調整抵抗とが並列に接続されたことを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
前記第１調整部は、電圧源とグランドとの間に直列に接続された第１調整抵抗及び第２調整抵抗を有し、前記第１調整抵抗及び前記第２調整抵抗の接続点が前記緩衝回路の入力端に接続されたことを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
前記磁電変換回路は、磁界に応じて電気的特性が変化する感磁素子を有するブリッジ回路と、入力端が前記ブリッジ回路と接続され、前記ブリッジ回路の測定した磁界に応じて電流を発生させる増幅回路と、一端が前記増幅回路の出力端と接続されたコイルと、前記コイルの他端と接続され、前記コイルを流れる電流に応じた電圧を生じる電流電圧変換回路と、を備え、
前記増幅回路は、前記感磁素子に印加される磁界を打ち消すような磁界を発生するように前記コイルを通流する電流を制御することを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
前記感磁素子は、磁気抵抗効果素子であることを特徴とする請求項４に記載の電流センサ。
前記緩衝回路は、オペアンプであることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
磁界を電圧に変換して出力端から出力する磁電変換回路と、前記磁電変換回路の出力端の電圧を調整するための調整回路と、前記磁電変換回路の出力端に接続された緩衝増幅回路と、を備え、
前記調整回路は、調整された電圧を出力端から出力する第１調整部と、前記第１調整部の出力端と前記第２調整部の入力端との間に設けられた緩衝回路と、を備え、
測定対象の電流路を通流する被測定電流の電流値が異なる２つの状態について、緩衝増幅回路の出力端の電圧値を測定する工程と、
前記測定された緩衝増幅回路の出力端の２つの電圧値に基づいて、前記第１調整部及び前記第２調整部の出力を同時に調整する工程と、を備えたことを特徴とする電流センサの調整方法。