電流センサ
【課題】高感度な感磁素子を用いた場合においても、出力信号の線形性を確保できる測定レンジの広い電流センサを提供すること。
【解決手段】本発明の電流センサ（１）は、被測定電流からの誘導磁界（Ｈ）により出力信号を出力する感磁素子（１２ａ，１２ｂ）を備え、感磁素子（１２ａ，１２ｂ）は、感度軸（Ｓ１）及び当該感度軸（Ｓ１）と直交する感度影響軸（Ｓ２）を有し、感度軸（Ｓ１）が誘導磁界（Ｈ）の方向に対して所定の角度（θ）をなすように配置され、感度影響軸（Ｓ２）が前記被測定電流の通流方向及び誘導磁界（Ｈ）の方向に対して直交して配置されたことを特徴とする。
【解決手段】本発明の電流センサ（１）は、被測定電流からの誘導磁界（Ｈ）により出力信号を出力する感磁素子（１２ａ，１２ｂ）を備え、感磁素子（１２ａ，１２ｂ）は、感度軸（Ｓ１）及び当該感度軸（Ｓ１）と直交する感度影響軸（Ｓ２）を有し、感度軸（Ｓ１）が誘導磁界（Ｈ）の方向に対して所定の角度（θ）をなすように配置され、感度影響軸（Ｓ２）が前記被測定電流の通流方向及び誘導磁界（Ｈ）の方向に対して直交して配置されたことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定電流からの誘導磁界を介して被測定電流値を測定する電流センサに関し、例えば、検出感度を調整できる電流センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車やハイブリッドカーなどにおけるモータ駆動技術分野では、比較的大きな電流が取り扱われるため、これら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。このような電流センサとして、被測定電流からの誘導磁界により出力信号を出力する感磁素子としてのホール素子と、被測定電流の電流値に応じて、被測定電流からの誘導磁界の方向とホール素子の感度軸（感磁面に直交する方向）とのなす角度を変化させる角度変更機構とを具備する電流検出装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
かかる電流検出装置においては、ホール素子は、感度軸の方向から印加された被測定電流からの誘導磁界の磁界強度に応じた電圧（ホール電圧）信号を発生する。この電流検出装置においては、被測定電流が小電流の場合には、角度変更機構によって被測定電流からの誘導磁界の方向と感度軸とが一致するようにホール素子を回転し、被測定電流の電流値が大電流の場合には、被測定電流からの誘導磁界の方向に対して感度軸が所定の角度θをなすようにホール素子を回転する。これにより、被測定電流が大電流の場合には、ホール素子の感度軸に対して印加される誘導磁界Ｈの磁界強度Ｈ１がＨ１＝Ｈ×ｃｏｓθとなるので、角度θの調整によってホール素子の磁化飽和を抑制することができ、測定レンジの広い電流センサを実現できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−５９８５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、高感度の感磁素子においては、感度軸に対して直交する方向に検出感度に影響を及ぼす軸（以下、「感度影響軸」という）が生じる場合がある。このような高感度の感磁素子を備えた電流センサにおいては、被測定電流からの誘導磁界の方向に対して感度軸が所定の角度をなすように感磁素子を配置した場合には、感度軸の方向から印加された誘導磁界に基づく出力信号に加えて、感度影響軸の方向から印加された誘導磁界が測定精度に影響を及ぼす場合がある。例えば、感度影響軸の方向から印加された誘導磁界により、感度軸の方向の検出感度そのものが影響を受けて感度変化する場合や、感度軸影響軸の方向から印加された誘導磁界による出力信号により感度変化が生じる場合がある。このような感度変化が生じると、電流センサの出力信号の線形性を低下する要因となる場合がある。
【０００６】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、高感度な感磁素子を用いた場合においても、出力信号の線形性を確保できる測定レンジの広い電流センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の電流センサは、被測定電流からの誘導磁界により出力信号を出力する感磁素子を備え、前記感磁素子は、感度軸及び当該感度軸と直交する感度影響軸を有し、前記感度軸が前記誘導磁界の方向に対して所定の角度をなすように配置され、前記感度影響軸が前記被測定電流の通流方向及び前記誘導磁界の方向に対して直交に配置されたことを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、被測定電流からの誘導磁界が感度軸に対して所定の角度をなす方向から印加されるので、感度軸の方向から印加される誘導磁界の磁界強度が小さくなる。これにより、被測定電流が大電流の場合であっても、磁気検出素子の磁気飽和を抑制できる測定レンジの広い電流センサを実現できる。また、被測定電流からの誘導磁界が感度影響軸に対して直交する方向から印加されるので、感度影響軸の方向から印加される誘導磁界に基づく感度変化が実質的にゼロとなる。これにより、感度影響軸を有する高感度な感磁素子を用いた場合においても、感度影響軸に起因する出力信号の線形性の低下を抑制できる。
【０００９】
本発明の電流センサにおいては、前記感度影響軸が副感度軸であることが好ましい。この構成により、被測定電流からの誘導磁界が副感度軸の方向に対して略直交する方向から印加されるので、副感度軸の方向から印加される誘導磁界に基づく感度変化が実質的にゼロとなる。これにより、副感度軸を有する感磁素子を用いた場合においても、副感度軸に起因する出力信号の線形性の低下を抑制できる。
【００１０】
本発明の電流センサにおいては、前記感磁素子がＧＭＲ素子であってもよい。
【００１１】
本発明の電流センサにおいては、前記感磁素子が磁気収束板を備えたホール素子であってもよい。
【００１２】
本発明の電流センサにおいては、前記感度影響軸が感度変化軸であることが好ましい。この構成により、被測定電流からの誘導磁界が感度変化軸の方向に対して略直交する方向から印加されるので、感度変化軸の方向から印加される誘導磁界に基づく感度変化が実質的にゼロとなる。これにより、感度影響軸を有する感磁素子を用いた場合においても、感度変化軸に起因する出力信号の線形性の低下を抑制できる。
【００１３】
本発明の電流センサにおいては、前記感磁素子がＧＭＲ素子であってもよい。
【００１４】
本発明の電流センサにおいては、前記感磁素子が一対の感磁素子であり、前記一対の感磁素子の出力信号を差動演算して前記被測定電流の電流値を算出する演算回路を備えることが好ましい。この構成により、一対の感磁素子に対して略同一方向から外部磁界が印加され、一対の感磁素子から外部磁界に基づく略同相の出力信号が出力される。このため、一対の感磁素子の出力信号を差動演算することにより、外部磁界によるノイズ成分をキャンセルすることができる。
【００１５】
本発明の電流センサにおいては、切り欠き部を有する絶縁基板を備え、前記一対の感磁素子は、前記切り欠き部を挟むように前記絶縁基板に配設されており、前記切り欠き部に前記導電部材が挿入されることが好ましい。この構成により、一対の感磁素子の角度の調整及び位置合わせが容易になると共に、絶縁基板を小型化することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、高感度な感磁素子を用いた場合においても、出力信号の線形性を確保できる測定レンジの広い電流センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施の形態に係る電流センサを示す模式図である。
【図２】本実施の形態に係る電流センサの感磁素子の配置例を示す模式図である。
【図３】本実施の形態に係る電流センサの測定原理の説明図である。
【図４】本実施の形態に係る電流センサのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明者は、ＧＭＲ素子などの高感度な感磁素子を用いた電流センサにおいては、被測定電流からの誘導磁界による出力信号の線形性を悪化させる要因が、感度軸と直交する方向における検出感度に影響を及ぼす軸（以下、「感度影響軸」という）にあることを見出した。例えば、ＧＭＲ素子のような、感度軸と直交する方向に感度影響軸を有する感磁素子を用いた場合、単純に感度軸の方向を被測定電流からの誘導磁界（以下、単に「誘導磁界ともいう」）の方向に対して変化させた際には、感磁素子の磁化飽和を抑制できる反面、感度影響軸にも大きな磁界が印加され、その影響で感度軸の方向の感度（感度軸の方向の磁界に対する磁気抵抗変化率）そのものが変化する。また、感度影響軸の方向から印加された誘導磁界により感度影響軸に基づく出力信号が出力される場合もある。このような場合においては、電流センサの出力信号の線形性が低下する場合がある。
【００１９】
本発明者は、感度軸が誘導磁界の方向に対して所定の角度をなすように配置すると共に、感度影響軸が被測定電流からの誘導磁界の方向に対して直交するように感磁素子を配置することにより、高感度な感磁素子を用いた場合であっても、被測定電流の出力信号の線形性を確保できる測定レンジの広い電流センサを実現できることを見出し、本発明を完成させるに至った。以下、本発明の一実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００２０】
図１Ａ、図１Ｂは、本発明の一実施の形態に係る電流センサ１の模式図である。図１Ａは、電流センサ１の外観を示す斜視図であり、図１Ｂは、電流センサ１の平面図である。
【００２１】
図１Ａに示すように、本実施の形態に係る電流センサ１は、外周縁部から中央部に向けて切り欠き部１１ａが設けられた絶縁基板１１と、切り欠き部１１ａを挟むように絶縁基板１１上に対向して配設された一対の感磁素子１２ａ，１２ｂとを備える。絶縁基板１１の切り欠き部１１ａには、図１ＡにおけるＹ軸方向（被測定電流Ｉの通流方向）に延在する平板形状の導電部材１３が挿入される。このとき、絶縁基板１１は、その主面が導電部材１３の一対の主面と略直交するように配置される。また、絶縁基板１１は、図１Ｂに示すように、平面視において絶縁基板１１の面内方向Ａと導電部材１３の被測定電流Ｉの通流方向に直交する方向Ｂ（Ｘ軸方向）とが所定の角度θをなすように配置される（平面視において面内方向Ａが方向Ｂに対して斜めである）。
【００２２】
一対の感磁素子１２ａ，１２ｂは、感度軸Ｓ１及びこの感度軸Ｓ１の方向に直交する方向における感度影響軸Ｓ２を有する。本実施の形態においては、一対の感磁素子１２ａ，１２ｂの感度軸Ｓ１は、図１Ｂに示すように、絶縁基板１１の面内方向Ａに対して略平行であると共に、導電部材１３の主面に対して略平行である。一対の感磁素子１２ａ，１２ｂの感度影響軸Ｓ２は、図１Ａに示すように、導電部材１３の主面に対して略垂直であると共に、絶縁基板１１の主面に対して略平行である。すなわち、一対の感磁素子１２ａ，１２ｂの感度軸Ｓ１は、誘導磁界Ｈの方向に沿って配置され、感度影響軸Ｓ２は、誘導磁界Ｈの方向に直交する方向、かつ、導電部材１３の主面に対して垂直に配置される（図１ＡにおけるＺ軸方向）。
【００２３】
また、本実施の形態に係る電流センサ１においては、図１Ｂに示すように、平面視において一対の感磁素子１２ａ，１２ｂは、感度軸Ｓ１が導電部材１３を通流する被測定電流Ｉからの誘導磁界Ｈの方向であるＸ軸方向に対して所定の角度θをなすように配置されると共に、感度影響軸Ｓ２が被測定電流Ｉの通流方向及び誘導磁界Ｈの方向に対して直交するＺ軸方向に沿って配置される。この構成により、詳細については後述するように、誘導磁界Ｈによる一対の感磁素子１２ａ，１２ｂの磁化飽和を抑制して測定レンジを拡大できると共に、感度影響軸Ｓ２に基づく感度変化が実質的にゼロとなるので、測定レンジが広く、出力信号の線形性が高い電流センサ１を実現することができる。
【００２４】
一対の感磁素子１２ａ，１２ｂは、導電部材１３を通流する被測定電流Ｉからの誘導磁界Ｈにより出力信号を出力する。一対の感磁素子１２ａ，１２ｂから出力された出力信号は、絶縁基板１１上に設けられた配線パターン（不図示）を介して演算回路としての信号処理回路２１（図１において不図示、図４参照）に入力される。信号処理回路２１では、被測定電流Ｉの電流値が算出される。
【００２５】
図２Ａ，図２Ｂは、感磁素子１２ａ，１２ｂの配置例を示す模式図である。感磁素子１２ａ，１２ｂは、感度軸Ｓ１が誘導磁界Ｈの方向に対して所定の角度をなすように配置され、感度影響軸Ｓ２が誘導磁界Ｈの方向に対して直交するように配置されていれば特に制限はない。例えば、一対の感磁素子１２ａ，１２ｂは、感度軸Ｓ１及び感度影響軸Ｓ２をそれぞれ略同一方向に揃えて配置してもよく（図２Ａ参照）、感度軸Ｓ１を略同一方向に揃えると共に、感度影響軸Ｓ２が互いに略逆方向となるように配置してもよい（図２Ｂ参照）。なお、一対の感磁素子１２ａ，１２ｂの感度軸Ｓ１及び感度影響軸Ｓ２の方向については、本発明の効果を奏する範囲であれば、一対の感磁素子１２ａ，１２ｂで完全に平行でなくても良い。
【００２６】
感磁素子１２ａ，１２ｂとしては、被測定電流Ｉからの誘導磁界Ｈにより出力信号を出力し、感度軸Ｓ１と直交する方向に感度影響軸Ｓ２を有するものであれば特に限定されない。感磁素子１２ａ，１２ｂとしては、例えば、ＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子やＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子などの磁気抵抗効果素子や、磁気収束板を用いて素子面内に磁界感度軸を持たせたホール素子などを用いることができる。
【００２７】
感磁素子１２ａ，１２ｂとしては、感度軸Ｓ１に対して略直交する方向に感度影響軸Ｓ２としての副感度軸を有するものを用いてもよい。ここで、副感度軸とは、感度軸Ｓ１に対して略直交する方向からの誘導磁界Ｈにより感度軸Ｓ１からの出力信号に対して相対的に弱い出力信号が生じる軸、すなわち感度軸Ｓ１に対して直交する方向の磁界を検知する軸である。このような副感度軸を有する感磁素子１２ａ，１２ｂとしては、例えば、ＧＭＲ素子や磁気収束板を備えたホール素子などが挙げられる。ＧＭＲ素子の場合は、フリー層の磁化方向が回転する平面内において、感度軸Ｓ１と直交する方向が副感度軸となる。また、磁気収束板を備えたホール素子の場合は、磁気収束板の平面内において、感度軸Ｓ１と直交する方向が副感度軸となる。これらのＧＭＲ素や磁気収束板を備えたホール素子においては、副感度軸（感度影響軸Ｓ２）を被測定電流Ｉによる誘導磁界Ｈの方向に直交するように配置することにより、被測定電流Ｉからの誘導磁界Ｈによる感度影響軸Ｓ２に基づく感度変化を実質的にゼロとすることができるので、感度影響軸に起因する電流センサの出力信号の線形性の低下を抑制することができる。
【００２８】
また、感磁素子１２ａ，１２ｂとしては、感度軸Ｓ１に対して略直交する方向に感度影響軸Ｓ２としての感度変化軸を有するものを用いてもよい。ここで、感度変化軸とは、感度軸Ｓ１の方向からの誘導磁界Ｈに対する磁気抵抗変化率を変化させる軸、すなわち感度軸Ｓ１の検出感度を変化させる軸である。このような感度軸変化軸を有する感磁素子１２ａ，１２ｂとしては、例えば、ハードバイアスを備えたＧＭＲやＴＭＲ素子などが挙げられる。これらのハードバイアスを備えたＧＭＲ素子やＴＭＲ素子においては、ハードバイアスからのバイアス磁界をＧＭＲ素子やＴＭＲ素子に印加することにより、磁化自由層の磁化方向をＰＩＮ層の磁化方向に平行させることが容易となるので、被測定電流Ｉからの誘導磁界Ｈによる出力信号の線形性を向上することができる。また、バイアス磁界の印加によりＧＭＲ素子やＴＭＲ素子に印加される実効的な誘導磁界Ｈが減少するので、ヒステリシスを低減することもできる。
【００２９】
感磁素子１２ａ，１２ｂとして、ハードバイアスを備えたＧＭＲ素子やＴＭＲ素子を用いる場合、ハードバイアスからのバイアス磁界の印加方向が、感度変化軸（感度影響軸Ｓ２）と略一致するように配設することが望ましい。この感度変化軸の方向は、誘導磁界Ｈの方向に直交する方向である。したがって、本実施の形態に係る電流センサ１において、ハードバイアスを備えたＧＭＲ素子やＴＭＲ素子を用いる場合には、ハードバイアスからのバイアス磁界の印加方向を感度影響軸Ｓ２と一致させることにより、バイアス磁界の印加方向に対して略直交する方向からの被測定電流Ｉによる誘導磁界Ｈが印加されることになり、バイアス磁界に対する被測定電流Ｉからの誘導磁界Ｈの影響を実質的にゼロとすることができるので、上述した出力信号の線形性の向上を実現できる。
【００３０】
また、感磁素子１２ａ、１２ｂとしては、ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子の形状を細長くして、形状異方性を強めたＧＭＲ素子やＴＭＲ素子を用いることもできる。この場合、ＧＭＲ素子及びＴＭＲ素子の長手方向が感度影響軸Ｓ２となる。このような形状異方性を有するＧＭＲ素子及びＴＭＲ素子においては、上述した感度影響軸Ｓ２としての副感度軸及び感度変化軸が共に生じる場合もある。このような場合には、被測定電流からの誘導磁界Ｈの方向と副感度軸及び感度変化軸とをそれぞれ略直交させることにより、感度変化軸に基づく感度軸の感度変化が実質的にゼロになると共に、副感度軸に基づく出力信号も実質的にゼロとなるので、電流センサ１の出力信号の線形性の低下を抑制できる。
【００３１】
次に、本実施の形態に係る電流センサ１の測定原理について説明する。図３Ａ〜図３Ｃは、電流センサ１の測定原理の説明図である。なお、図３Ａにおいては、説明の便宜上、絶縁基板１１を省略した斜視図を示している。また、図３Ｂ，図３Ｃにおいては、図３Ａの上面図を模式的に示している。
【００３２】
図３Ａに示すように、本実施の形態に係る電流センサ１においては、一対の感磁素子１２ａ，１２ｂが導電部材１３を挟むように対向して配置される。導電部材１３を通流する被測定電流Ｉからの誘導磁界Ｈの方向は、導電部材１３の被測定電流Ｉの通流方向（図３Ａの太線の矢印参照）に対して略直交する方向（図３Ａ〜図３Ｃの一点鎖線参照）となる。このため、一対の感磁素子１２ａ，１２ｂには、被測定電流Ｉの通流方向に対して略直交する方向から誘導磁界Ｈが印加される。
【００３３】
ここで、一対の感磁素子１２ａ，１２ｂは、導電部材１３の延在方向に対して主面が斜めに配置された絶縁基板１１上に配設されているので、導電部材１３の主面の面内方向において、感度軸Ｓ１が誘導磁界Ｈの方向に対して所定の角度θ１をなすように配置される。このため、一対の感磁素子１２ａ，１２ｂに対して感度軸Ｓ１の方向から印加される誘導磁界Ｈの磁界強度Ｈ１は、Ｈ１＝Ｈ×ｃｏｓθ１となる。また、一対の感磁素子１２ａ，１２ｂは、感度影響軸Ｓ２が誘導磁界Ｈの方向に対して直交するように配置されているので、感度影響軸Ｓ２の方向から印加される誘導磁界Ｈの磁界強度Ｈ２は、Ｈ２＝Ｈ×ｃｏｓ９０度となる。したがって、一対の感磁素子１２ａ，１２ｂに対して感度軸Ｓ１の方向から印加される誘導磁界Ｈの磁界強度Ｈ１，Ｈ２が所定の角度θ１に応じて変化すると共に（所定の角度θ１が大きくなるにしたがって誘導磁界Ｈの磁界強度Ｈ１，Ｈ２が小さくなる）、一対の感磁素子１２ａ，１２ｂから出力される出力信号のうち、感度影響軸Ｓ２の方向からの誘導磁界Ｈに基づく感度変化が実質的にゼロとなる。この結果、一対の感磁素子１２ａ，１２ｂの磁化飽和の抑制が可能となり、大電流の測定が可能となると共に、感度影響軸Ｓ２に基づく出力信号に起因する出力信号の線形性の低下を抑制できる。
【００３４】
なお、図３Ｃに示すように、一対の感磁素子１２ａ，１２ｂの感度軸に直交する感度影響軸Ｓ２を絶縁基板１１（導電部材１３）の主面に対して平行にした場合には、感度影響軸Ｓ２の方向から印加される誘導磁界Ｈの磁界強度Ｈ２は、Ｈ２＝Ｈ×ｃｏｓθ２となる。このため、この場合には、一対の感磁素子１２ａ，１２ｂから出力される出力信号に、感度影響軸Ｓ２の方向からの磁界強度Ｈ２の印加の影響を受け、感度軸Ｓ１の方向の感度（感度軸Ｓ１の方向の磁界に対する磁気抵抗変化率）が変化する。このため、感度影響軸Ｓ２に基づく出力信号により、電流センサの出力信号の線形性が悪化する。
【００３５】
図４は、本実施の形態に係る電流センサ１のブロック図である。図４に示す電流センサ１は、一対の感磁素子１２ａ、１２ｂと、それぞれの感磁素子１２ａ、１２ｂからの出力信号を信号処理（電流値を演算）して出力する信号処理回路（演算回路）２１とから構成されている。
【００３６】
感磁素子１２ａは、導電部材１３を通流する被測定電流Ｉからの誘導磁界Ｈを検出し、検出した誘導磁界Ｈの磁界強度に比例した大きさとなる電圧信号が信号処理回路２１に出力される。例えば、図３Ｂに示す場合、地磁気などの外部磁界をＨαとすると、感磁素子１２ａから出力される電圧信号Ｖａは、ｋを比例定数として下記式（１）で示される。なお感磁素子１２ａの感度軸Ｓ１の方向と同じ向きの磁界は＋、逆向きの磁界を−としている。
Ｖａ＝ｋ×｛（Ｈ×ｃｏｓθ１）−Ｈα｝ …（１）
【００３７】
同様に、感磁素子１２ｂは、導電部材１３を通流する被測定電流Ｉからの誘導磁界Ｈを検出し、検出した磁界強度に比例した大きさとなる電圧信号が信号処理回路２１に出力される。例えば、図３Ｂに示す場合、地磁気などの外部磁界をＨαとすると、感磁素子１２ｂから出力される電圧信号Ｖｂは、ｋを比例定数として下記式（２）で示される。なお、感磁素子１２ｂの感度軸Ｓ１の方向と同じ向きの磁界は＋、逆向きの磁界を−としている。
Ｖｂ＝ｋ×｛（−Ｈ×ｃｏｓθ１）−Ｈα｝ …（２）
【００３８】
信号処理回路２１は、感磁素子１２ａ、１２ｂから出力された電圧信号Ｖａ、Ｖｂに対して差動演算処理を行う。例えば、図２Ａ，図２Ｂに示すように、感度軸Ｓ１の方向が互いに同じ向きとなるように感磁素子１２ａ、１２ｂが配置される場合、信号処理回路２１は、感磁素子１２ａ、１２ｂから出力された電圧信号Ｖａ、Ｖｂを下記式（３）に示すように減算して、導電部材１３を通流する被測定電流Ｉの電流値を算出する。
Ｖａ−Ｖｂ＝ｋ×｛（Ｈ×ｃｏｓθ１）−Ｈα｝−ｋ×｛（−Ｈ×ｃｏｓθ１）−Ｈα｝＝ｋ×２Ｈ …（３）
【００３９】
上記式（３）に示されるように、電圧信号Ｖａ、Ｖｂを減算することにより、外部磁界Ｂαに基づく出力信号が相殺され、被測定電流Ｉからの誘導磁界Ｈに基づく出力信号が加算される。この結果、外部磁界Ｈαの影響を排除でき、電流値の測定精度を向上させることができる。
【００４０】
このように、本実施の形態に係る電流センサ１においては、一対の感磁素子１２ａ，１２ｂに対して、被測定電流Ｉからの誘導磁界Ｈが互いに略逆方向から印加され、外部磁界Ｈαが略同一方向から印加される。このため、一対の感磁素子１２ａ，１２ｂから被測定電流Ｉからの誘導磁界Ｈに基づく略逆相の出力信号が出力され、外部磁界Ｈαに基づく略同相の出力信号が出力される。したがって、一対の感磁素子１２ａ，１２ｂの出力信号を差動演算することにより、外部磁界Ｈαに基づくノイズ成分をキャンセルすることができる。
【００４１】
以上説明したように、上記実施の形態に係る電流センサ１によれば、被測定電流Ｉからの誘導磁界Ｈの方向に対して、一対の感磁素子１２ａ，１２ｂの感度軸Ｓ１が所定の角度θ１をなすように配置すると共に、感度軸Ｓ１に直交する方向に生じる感度影響軸Ｓ２が略直交するように配置したことから、誘導磁界Ｈが感度軸Ｓ１に対しては所定の角度をなす方向から印加され、感度影響軸Ｓ２に対しては直交する方向から印加される。この構成により、感度軸Ｓ１の方向から印加される誘導磁界Ｈの磁界強度Ｈ１がＨ１＝Ｈ×ｃｏｓθ１になると共に、感度影響軸Ｓ２の方向から印加される誘導磁界Ｈが実質的にゼロとなるので、被測定電流Ｉが大電流の場合であっても、感磁素子１２ａ，１２ｂの磁気飽和を抑制できると共に、感度影響軸Ｓ２に起因する出力信号の線形性の低下を抑制できる。したがって、高感度な感磁素子１２ａ，１２ｂを用いた場合であっても、被測定電流Ｉの出力信号の線形性を確保できる測定レンジの広い電流センサを実現できる。
【００４２】
また、本実施の形態に係る電流センサ１においては、一対の感磁素子１２ａ，１２ｂとして、ＧＭＲ素子を用いた場合であっても、ハードバイアスからのバイアス磁界の方向と感度影響軸Ｓ２とを一致させることにより、バイアス磁界の方向に対して略直交する方向から被測定電流Ｉからの誘導磁界Ｈが印加されるので、バイアス磁界の方向における誘導磁界Ｈの影響が実質的にゼロとなる。これにより、出力信号の線形性の向上及びヒステリシスの低減を実現できる。
【００４３】
さらに、本実施の形態に係る電流センサ１においては、一対の感磁素子１２ａ，１２ｂとして、副感度軸を有するＧＭＲ素子や磁気収束板を備えたホール素子を用いた場合であっても、感度影響軸Ｓ２を副感度軸と一致させることにより、被測定電流Ｉからの誘導磁界Ｈが副感度軸に対して直交する方向から印加されるので、副感度軸の方向から印加される誘導磁界Ｈに基づく感度変化が実質的にゼロとなる。これにより、副感度軸に起因する出力信号の線形性の低下を抑制できるので、副感度軸を有する感磁素子を用いた場合においても、被測定電流Ｉの出力信号の線形性を確保できる。
【００４４】
また、本実施の形態に係る電流センサ１においては、導電部材１３を挟むように一対の感磁素子１２ａ，１２ｂを対向して配置したので、一対の感磁素子１２ａ，１２ｂに対して略同一方向から外部磁界Ｈαが印加され、一対の感磁素子１２ａ，１２ｂから略同相の出力信号が出力される。このため、一対の感磁素子１２ａ，１２ｂの出力信号を差動演算することにより、外部磁界Ｈαによるノイズ成分をキャンセルすることができる。
【００４５】
さらに、本実施の形態に係る電流センサ１においては、絶縁基板１１上に一対の感磁素子１２ａ，１２ｂを配設すると共に、絶縁基板１１の切り欠き部１１ａに導電部材１３を挿入したので、一対の感磁素子１２ａ，１２ｂの角度の調整及び位置合わせが容易になると共に、絶縁基板１１を小型化することができる。
【００４６】
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可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。
【００４７】
例えば、上述した実施の形態においては、感磁素子１２ａ，１２ｂの感度軸Ｓ１を略同一方向に揃えた例について説明したが、感磁素子１２ａ，１２ｂの感度軸Ｓ１は、互いに逆方向にしてもよい。この場合、信号処理回路２１は、感磁素子１２ａ、１２ｂから出力された出力信号を加算して、電流値を算出することにより、上記同様に、外部磁界Ｂαに基づく出力信号が相殺され、被測定電流Ｉからの誘導磁界Ｈに基づく出力信号が加算される。この結果、外部磁界Ｈαの影響を排除でき、電流値の測定精度を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、高感度な感磁素子を用いた場合であっても、出力信号の線形性を確保できる測定レンジの広い電流センサを実現できるという効果を有し、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。
【符号の説明】
【００４９】
１ 電流センサ
１１ 絶縁基板
１２ａ，１２ｂ 感磁素子
１３ 導電部材
２１ 信号処理回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定電流からの誘導磁界を介して被測定電流値を測定する電流センサに関し、例えば、検出感度を調整できる電流センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車やハイブリッドカーなどにおけるモータ駆動技術分野では、比較的大きな電流が取り扱われるため、これら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。このような電流センサとして、被測定電流からの誘導磁界により出力信号を出力する感磁素子としてのホール素子と、被測定電流の電流値に応じて、被測定電流からの誘導磁界の方向とホール素子の感度軸（感磁面に直交する方向）とのなす角度を変化させる角度変更機構とを具備する電流検出装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
かかる電流検出装置においては、ホール素子は、感度軸の方向から印加された被測定電流からの誘導磁界の磁界強度に応じた電圧（ホール電圧）信号を発生する。この電流検出装置においては、被測定電流が小電流の場合には、角度変更機構によって被測定電流からの誘導磁界の方向と感度軸とが一致するようにホール素子を回転し、被測定電流の電流値が大電流の場合には、被測定電流からの誘導磁界の方向に対して感度軸が所定の角度θをなすようにホール素子を回転する。これにより、被測定電流が大電流の場合には、ホール素子の感度軸に対して印加される誘導磁界Ｈの磁界強度Ｈ１がＨ１＝Ｈ×ｃｏｓθとなるので、角度θの調整によってホール素子の磁化飽和を抑制することができ、測定レンジの広い電流センサを実現できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−５９８５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、高感度の感磁素子においては、感度軸に対して直交する方向に検出感度に影響を及ぼす軸（以下、「感度影響軸」という）が生じる場合がある。このような高感度の感磁素子を備えた電流センサにおいては、被測定電流からの誘導磁界の方向に対して感度軸が所定の角度をなすように感磁素子を配置した場合には、感度軸の方向から印加された誘導磁界に基づく出力信号に加えて、感度影響軸の方向から印加された誘導磁界が測定精度に影響を及ぼす場合がある。例えば、感度影響軸の方向から印加された誘導磁界により、感度軸の方向の検出感度そのものが影響を受けて感度変化する場合や、感度軸影響軸の方向から印加された誘導磁界による出力信号により感度変化が生じる場合がある。このような感度変化が生じると、電流センサの出力信号の線形性を低下する要因となる場合がある。
【０００６】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、高感度な感磁素子を用いた場合においても、出力信号の線形性を確保できる測定レンジの広い電流センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の電流センサは、被測定電流からの誘導磁界により出力信号を出力する感磁素子を備え、前記感磁素子は、感度軸及び当該感度軸と直交する感度影響軸を有し、前記感度軸が前記誘導磁界の方向に対して所定の角度をなすように配置され、前記感度影響軸が前記被測定電流の通流方向及び前記誘導磁界の方向に対して直交に配置されたことを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、被測定電流からの誘導磁界が感度軸に対して所定の角度をなす方向から印加されるので、感度軸の方向から印加される誘導磁界の磁界強度が小さくなる。これにより、被測定電流が大電流の場合であっても、磁気検出素子の磁気飽和を抑制できる測定レンジの広い電流センサを実現できる。また、被測定電流からの誘導磁界が感度影響軸に対して直交する方向から印加されるので、感度影響軸の方向から印加される誘導磁界に基づく感度変化が実質的にゼロとなる。これにより、感度影響軸を有する高感度な感磁素子を用いた場合においても、感度影響軸に起因する出力信号の線形性の低下を抑制できる。
【０００９】
本発明の電流センサにおいては、前記感度影響軸が副感度軸であることが好ましい。この構成により、被測定電流からの誘導磁界が副感度軸の方向に対して略直交する方向から印加されるので、副感度軸の方向から印加される誘導磁界に基づく感度変化が実質的にゼロとなる。これにより、副感度軸を有する感磁素子を用いた場合においても、副感度軸に起因する出力信号の線形性の低下を抑制できる。
【００１０】
本発明の電流センサにおいては、前記感磁素子がＧＭＲ素子であってもよい。
【００１１】
本発明の電流センサにおいては、前記感磁素子が磁気収束板を備えたホール素子であってもよい。
【００１２】
本発明の電流センサにおいては、前記感度影響軸が感度変化軸であることが好ましい。この構成により、被測定電流からの誘導磁界が感度変化軸の方向に対して略直交する方向から印加されるので、感度変化軸の方向から印加される誘導磁界に基づく感度変化が実質的にゼロとなる。これにより、感度影響軸を有する感磁素子を用いた場合においても、感度変化軸に起因する出力信号の線形性の低下を抑制できる。
【００１３】
本発明の電流センサにおいては、前記感磁素子がＧＭＲ素子であってもよい。
【００１４】
本発明の電流センサにおいては、前記感磁素子が一対の感磁素子であり、前記一対の感磁素子の出力信号を差動演算して前記被測定電流の電流値を算出する演算回路を備えることが好ましい。この構成により、一対の感磁素子に対して略同一方向から外部磁界が印加され、一対の感磁素子から外部磁界に基づく略同相の出力信号が出力される。このため、一対の感磁素子の出力信号を差動演算することにより、外部磁界によるノイズ成分をキャンセルすることができる。
【００１５】
本発明の電流センサにおいては、切り欠き部を有する絶縁基板を備え、前記一対の感磁素子は、前記切り欠き部を挟むように前記絶縁基板に配設されており、前記切り欠き部に前記導電部材が挿入されることが好ましい。この構成により、一対の感磁素子の角度の調整及び位置合わせが容易になると共に、絶縁基板を小型化することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、高感度な感磁素子を用いた場合においても、出力信号の線形性を確保できる測定レンジの広い電流センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施の形態に係る電流センサを示す模式図である。
【図２】本実施の形態に係る電流センサの感磁素子の配置例を示す模式図である。
【図３】本実施の形態に係る電流センサの測定原理の説明図である。
【図４】本実施の形態に係る電流センサのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明者は、ＧＭＲ素子などの高感度な感磁素子を用いた電流センサにおいては、被測定電流からの誘導磁界による出力信号の線形性を悪化させる要因が、感度軸と直交する方向における検出感度に影響を及ぼす軸（以下、「感度影響軸」という）にあることを見出した。例えば、ＧＭＲ素子のような、感度軸と直交する方向に感度影響軸を有する感磁素子を用いた場合、単純に感度軸の方向を被測定電流からの誘導磁界（以下、単に「誘導磁界ともいう」）の方向に対して変化させた際には、感磁素子の磁化飽和を抑制できる反面、感度影響軸にも大きな磁界が印加され、その影響で感度軸の方向の感度（感度軸の方向の磁界に対する磁気抵抗変化率）そのものが変化する。また、感度影響軸の方向から印加された誘導磁界により感度影響軸に基づく出力信号が出力される場合もある。このような場合においては、電流センサの出力信号の線形性が低下する場合がある。
【００１９】
本発明者は、感度軸が誘導磁界の方向に対して所定の角度をなすように配置すると共に、感度影響軸が被測定電流からの誘導磁界の方向に対して直交するように感磁素子を配置することにより、高感度な感磁素子を用いた場合であっても、被測定電流の出力信号の線形性を確保できる測定レンジの広い電流センサを実現できることを見出し、本発明を完成させるに至った。以下、本発明の一実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００２０】
図１Ａ、図１Ｂは、本発明の一実施の形態に係る電流センサ１の模式図である。図１Ａは、電流センサ１の外観を示す斜視図であり、図１Ｂは、電流センサ１の平面図である。
【００２１】
図１Ａに示すように、本実施の形態に係る電流センサ１は、外周縁部から中央部に向けて切り欠き部１１ａが設けられた絶縁基板１１と、切り欠き部１１ａを挟むように絶縁基板１１上に対向して配設された一対の感磁素子１２ａ，１２ｂとを備える。絶縁基板１１の切り欠き部１１ａには、図１ＡにおけるＹ軸方向（被測定電流Ｉの通流方向）に延在する平板形状の導電部材１３が挿入される。このとき、絶縁基板１１は、その主面が導電部材１３の一対の主面と略直交するように配置される。また、絶縁基板１１は、図１Ｂに示すように、平面視において絶縁基板１１の面内方向Ａと導電部材１３の被測定電流Ｉの通流方向に直交する方向Ｂ（Ｘ軸方向）とが所定の角度θをなすように配置される（平面視において面内方向Ａが方向Ｂに対して斜めである）。
【００２２】
一対の感磁素子１２ａ，１２ｂは、感度軸Ｓ１及びこの感度軸Ｓ１の方向に直交する方向における感度影響軸Ｓ２を有する。本実施の形態においては、一対の感磁素子１２ａ，１２ｂの感度軸Ｓ１は、図１Ｂに示すように、絶縁基板１１の面内方向Ａに対して略平行であると共に、導電部材１３の主面に対して略平行である。一対の感磁素子１２ａ，１２ｂの感度影響軸Ｓ２は、図１Ａに示すように、導電部材１３の主面に対して略垂直であると共に、絶縁基板１１の主面に対して略平行である。すなわち、一対の感磁素子１２ａ，１２ｂの感度軸Ｓ１は、誘導磁界Ｈの方向に沿って配置され、感度影響軸Ｓ２は、誘導磁界Ｈの方向に直交する方向、かつ、導電部材１３の主面に対して垂直に配置される（図１ＡにおけるＺ軸方向）。
【００２３】
また、本実施の形態に係る電流センサ１においては、図１Ｂに示すように、平面視において一対の感磁素子１２ａ，１２ｂは、感度軸Ｓ１が導電部材１３を通流する被測定電流Ｉからの誘導磁界Ｈの方向であるＸ軸方向に対して所定の角度θをなすように配置されると共に、感度影響軸Ｓ２が被測定電流Ｉの通流方向及び誘導磁界Ｈの方向に対して直交するＺ軸方向に沿って配置される。この構成により、詳細については後述するように、誘導磁界Ｈによる一対の感磁素子１２ａ，１２ｂの磁化飽和を抑制して測定レンジを拡大できると共に、感度影響軸Ｓ２に基づく感度変化が実質的にゼロとなるので、測定レンジが広く、出力信号の線形性が高い電流センサ１を実現することができる。
【００２４】
一対の感磁素子１２ａ，１２ｂは、導電部材１３を通流する被測定電流Ｉからの誘導磁界Ｈにより出力信号を出力する。一対の感磁素子１２ａ，１２ｂから出力された出力信号は、絶縁基板１１上に設けられた配線パターン（不図示）を介して演算回路としての信号処理回路２１（図１において不図示、図４参照）に入力される。信号処理回路２１では、被測定電流Ｉの電流値が算出される。
【００２５】
図２Ａ，図２Ｂは、感磁素子１２ａ，１２ｂの配置例を示す模式図である。感磁素子１２ａ，１２ｂは、感度軸Ｓ１が誘導磁界Ｈの方向に対して所定の角度をなすように配置され、感度影響軸Ｓ２が誘導磁界Ｈの方向に対して直交するように配置されていれば特に制限はない。例えば、一対の感磁素子１２ａ，１２ｂは、感度軸Ｓ１及び感度影響軸Ｓ２をそれぞれ略同一方向に揃えて配置してもよく（図２Ａ参照）、感度軸Ｓ１を略同一方向に揃えると共に、感度影響軸Ｓ２が互いに略逆方向となるように配置してもよい（図２Ｂ参照）。なお、一対の感磁素子１２ａ，１２ｂの感度軸Ｓ１及び感度影響軸Ｓ２の方向については、本発明の効果を奏する範囲であれば、一対の感磁素子１２ａ，１２ｂで完全に平行でなくても良い。
【００２６】
感磁素子１２ａ，１２ｂとしては、被測定電流Ｉからの誘導磁界Ｈにより出力信号を出力し、感度軸Ｓ１と直交する方向に感度影響軸Ｓ２を有するものであれば特に限定されない。感磁素子１２ａ，１２ｂとしては、例えば、ＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子やＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子などの磁気抵抗効果素子や、磁気収束板を用いて素子面内に磁界感度軸を持たせたホール素子などを用いることができる。
【００２７】
感磁素子１２ａ，１２ｂとしては、感度軸Ｓ１に対して略直交する方向に感度影響軸Ｓ２としての副感度軸を有するものを用いてもよい。ここで、副感度軸とは、感度軸Ｓ１に対して略直交する方向からの誘導磁界Ｈにより感度軸Ｓ１からの出力信号に対して相対的に弱い出力信号が生じる軸、すなわち感度軸Ｓ１に対して直交する方向の磁界を検知する軸である。このような副感度軸を有する感磁素子１２ａ，１２ｂとしては、例えば、ＧＭＲ素子や磁気収束板を備えたホール素子などが挙げられる。ＧＭＲ素子の場合は、フリー層の磁化方向が回転する平面内において、感度軸Ｓ１と直交する方向が副感度軸となる。また、磁気収束板を備えたホール素子の場合は、磁気収束板の平面内において、感度軸Ｓ１と直交する方向が副感度軸となる。これらのＧＭＲ素や磁気収束板を備えたホール素子においては、副感度軸（感度影響軸Ｓ２）を被測定電流Ｉによる誘導磁界Ｈの方向に直交するように配置することにより、被測定電流Ｉからの誘導磁界Ｈによる感度影響軸Ｓ２に基づく感度変化を実質的にゼロとすることができるので、感度影響軸に起因する電流センサの出力信号の線形性の低下を抑制することができる。
【００２８】
また、感磁素子１２ａ，１２ｂとしては、感度軸Ｓ１に対して略直交する方向に感度影響軸Ｓ２としての感度変化軸を有するものを用いてもよい。ここで、感度変化軸とは、感度軸Ｓ１の方向からの誘導磁界Ｈに対する磁気抵抗変化率を変化させる軸、すなわち感度軸Ｓ１の検出感度を変化させる軸である。このような感度軸変化軸を有する感磁素子１２ａ，１２ｂとしては、例えば、ハードバイアスを備えたＧＭＲやＴＭＲ素子などが挙げられる。これらのハードバイアスを備えたＧＭＲ素子やＴＭＲ素子においては、ハードバイアスからのバイアス磁界をＧＭＲ素子やＴＭＲ素子に印加することにより、磁化自由層の磁化方向をＰＩＮ層の磁化方向に平行させることが容易となるので、被測定電流Ｉからの誘導磁界Ｈによる出力信号の線形性を向上することができる。また、バイアス磁界の印加によりＧＭＲ素子やＴＭＲ素子に印加される実効的な誘導磁界Ｈが減少するので、ヒステリシスを低減することもできる。
【００２９】
感磁素子１２ａ，１２ｂとして、ハードバイアスを備えたＧＭＲ素子やＴＭＲ素子を用いる場合、ハードバイアスからのバイアス磁界の印加方向が、感度変化軸（感度影響軸Ｓ２）と略一致するように配設することが望ましい。この感度変化軸の方向は、誘導磁界Ｈの方向に直交する方向である。したがって、本実施の形態に係る電流センサ１において、ハードバイアスを備えたＧＭＲ素子やＴＭＲ素子を用いる場合には、ハードバイアスからのバイアス磁界の印加方向を感度影響軸Ｓ２と一致させることにより、バイアス磁界の印加方向に対して略直交する方向からの被測定電流Ｉによる誘導磁界Ｈが印加されることになり、バイアス磁界に対する被測定電流Ｉからの誘導磁界Ｈの影響を実質的にゼロとすることができるので、上述した出力信号の線形性の向上を実現できる。
【００３０】
また、感磁素子１２ａ、１２ｂとしては、ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子の形状を細長くして、形状異方性を強めたＧＭＲ素子やＴＭＲ素子を用いることもできる。この場合、ＧＭＲ素子及びＴＭＲ素子の長手方向が感度影響軸Ｓ２となる。このような形状異方性を有するＧＭＲ素子及びＴＭＲ素子においては、上述した感度影響軸Ｓ２としての副感度軸及び感度変化軸が共に生じる場合もある。このような場合には、被測定電流からの誘導磁界Ｈの方向と副感度軸及び感度変化軸とをそれぞれ略直交させることにより、感度変化軸に基づく感度軸の感度変化が実質的にゼロになると共に、副感度軸に基づく出力信号も実質的にゼロとなるので、電流センサ１の出力信号の線形性の低下を抑制できる。
【００３１】
次に、本実施の形態に係る電流センサ１の測定原理について説明する。図３Ａ〜図３Ｃは、電流センサ１の測定原理の説明図である。なお、図３Ａにおいては、説明の便宜上、絶縁基板１１を省略した斜視図を示している。また、図３Ｂ，図３Ｃにおいては、図３Ａの上面図を模式的に示している。
【００３２】
図３Ａに示すように、本実施の形態に係る電流センサ１においては、一対の感磁素子１２ａ，１２ｂが導電部材１３を挟むように対向して配置される。導電部材１３を通流する被測定電流Ｉからの誘導磁界Ｈの方向は、導電部材１３の被測定電流Ｉの通流方向（図３Ａの太線の矢印参照）に対して略直交する方向（図３Ａ〜図３Ｃの一点鎖線参照）となる。このため、一対の感磁素子１２ａ，１２ｂには、被測定電流Ｉの通流方向に対して略直交する方向から誘導磁界Ｈが印加される。
【００３３】
ここで、一対の感磁素子１２ａ，１２ｂは、導電部材１３の延在方向に対して主面が斜めに配置された絶縁基板１１上に配設されているので、導電部材１３の主面の面内方向において、感度軸Ｓ１が誘導磁界Ｈの方向に対して所定の角度θ１をなすように配置される。このため、一対の感磁素子１２ａ，１２ｂに対して感度軸Ｓ１の方向から印加される誘導磁界Ｈの磁界強度Ｈ１は、Ｈ１＝Ｈ×ｃｏｓθ１となる。また、一対の感磁素子１２ａ，１２ｂは、感度影響軸Ｓ２が誘導磁界Ｈの方向に対して直交するように配置されているので、感度影響軸Ｓ２の方向から印加される誘導磁界Ｈの磁界強度Ｈ２は、Ｈ２＝Ｈ×ｃｏｓ９０度となる。したがって、一対の感磁素子１２ａ，１２ｂに対して感度軸Ｓ１の方向から印加される誘導磁界Ｈの磁界強度Ｈ１，Ｈ２が所定の角度θ１に応じて変化すると共に（所定の角度θ１が大きくなるにしたがって誘導磁界Ｈの磁界強度Ｈ１，Ｈ２が小さくなる）、一対の感磁素子１２ａ，１２ｂから出力される出力信号のうち、感度影響軸Ｓ２の方向からの誘導磁界Ｈに基づく感度変化が実質的にゼロとなる。この結果、一対の感磁素子１２ａ，１２ｂの磁化飽和の抑制が可能となり、大電流の測定が可能となると共に、感度影響軸Ｓ２に基づく出力信号に起因する出力信号の線形性の低下を抑制できる。
【００３４】
なお、図３Ｃに示すように、一対の感磁素子１２ａ，１２ｂの感度軸に直交する感度影響軸Ｓ２を絶縁基板１１（導電部材１３）の主面に対して平行にした場合には、感度影響軸Ｓ２の方向から印加される誘導磁界Ｈの磁界強度Ｈ２は、Ｈ２＝Ｈ×ｃｏｓθ２となる。このため、この場合には、一対の感磁素子１２ａ，１２ｂから出力される出力信号に、感度影響軸Ｓ２の方向からの磁界強度Ｈ２の印加の影響を受け、感度軸Ｓ１の方向の感度（感度軸Ｓ１の方向の磁界に対する磁気抵抗変化率）が変化する。このため、感度影響軸Ｓ２に基づく出力信号により、電流センサの出力信号の線形性が悪化する。
【００３５】
図４は、本実施の形態に係る電流センサ１のブロック図である。図４に示す電流センサ１は、一対の感磁素子１２ａ、１２ｂと、それぞれの感磁素子１２ａ、１２ｂからの出力信号を信号処理（電流値を演算）して出力する信号処理回路（演算回路）２１とから構成されている。
【００３６】
感磁素子１２ａは、導電部材１３を通流する被測定電流Ｉからの誘導磁界Ｈを検出し、検出した誘導磁界Ｈの磁界強度に比例した大きさとなる電圧信号が信号処理回路２１に出力される。例えば、図３Ｂに示す場合、地磁気などの外部磁界をＨαとすると、感磁素子１２ａから出力される電圧信号Ｖａは、ｋを比例定数として下記式（１）で示される。なお感磁素子１２ａの感度軸Ｓ１の方向と同じ向きの磁界は＋、逆向きの磁界を−としている。
Ｖａ＝ｋ×｛（Ｈ×ｃｏｓθ１）−Ｈα｝ …（１）
【００３７】
同様に、感磁素子１２ｂは、導電部材１３を通流する被測定電流Ｉからの誘導磁界Ｈを検出し、検出した磁界強度に比例した大きさとなる電圧信号が信号処理回路２１に出力される。例えば、図３Ｂに示す場合、地磁気などの外部磁界をＨαとすると、感磁素子１２ｂから出力される電圧信号Ｖｂは、ｋを比例定数として下記式（２）で示される。なお、感磁素子１２ｂの感度軸Ｓ１の方向と同じ向きの磁界は＋、逆向きの磁界を−としている。
Ｖｂ＝ｋ×｛（−Ｈ×ｃｏｓθ１）−Ｈα｝ …（２）
【００３８】
信号処理回路２１は、感磁素子１２ａ、１２ｂから出力された電圧信号Ｖａ、Ｖｂに対して差動演算処理を行う。例えば、図２Ａ，図２Ｂに示すように、感度軸Ｓ１の方向が互いに同じ向きとなるように感磁素子１２ａ、１２ｂが配置される場合、信号処理回路２１は、感磁素子１２ａ、１２ｂから出力された電圧信号Ｖａ、Ｖｂを下記式（３）に示すように減算して、導電部材１３を通流する被測定電流Ｉの電流値を算出する。
Ｖａ−Ｖｂ＝ｋ×｛（Ｈ×ｃｏｓθ１）−Ｈα｝−ｋ×｛（−Ｈ×ｃｏｓθ１）−Ｈα｝＝ｋ×２Ｈ …（３）
【００３９】
上記式（３）に示されるように、電圧信号Ｖａ、Ｖｂを減算することにより、外部磁界Ｂαに基づく出力信号が相殺され、被測定電流Ｉからの誘導磁界Ｈに基づく出力信号が加算される。この結果、外部磁界Ｈαの影響を排除でき、電流値の測定精度を向上させることができる。
【００４０】
このように、本実施の形態に係る電流センサ１においては、一対の感磁素子１２ａ，１２ｂに対して、被測定電流Ｉからの誘導磁界Ｈが互いに略逆方向から印加され、外部磁界Ｈαが略同一方向から印加される。このため、一対の感磁素子１２ａ，１２ｂから被測定電流Ｉからの誘導磁界Ｈに基づく略逆相の出力信号が出力され、外部磁界Ｈαに基づく略同相の出力信号が出力される。したがって、一対の感磁素子１２ａ，１２ｂの出力信号を差動演算することにより、外部磁界Ｈαに基づくノイズ成分をキャンセルすることができる。
【００４１】
以上説明したように、上記実施の形態に係る電流センサ１によれば、被測定電流Ｉからの誘導磁界Ｈの方向に対して、一対の感磁素子１２ａ，１２ｂの感度軸Ｓ１が所定の角度θ１をなすように配置すると共に、感度軸Ｓ１に直交する方向に生じる感度影響軸Ｓ２が略直交するように配置したことから、誘導磁界Ｈが感度軸Ｓ１に対しては所定の角度をなす方向から印加され、感度影響軸Ｓ２に対しては直交する方向から印加される。この構成により、感度軸Ｓ１の方向から印加される誘導磁界Ｈの磁界強度Ｈ１がＨ１＝Ｈ×ｃｏｓθ１になると共に、感度影響軸Ｓ２の方向から印加される誘導磁界Ｈが実質的にゼロとなるので、被測定電流Ｉが大電流の場合であっても、感磁素子１２ａ，１２ｂの磁気飽和を抑制できると共に、感度影響軸Ｓ２に起因する出力信号の線形性の低下を抑制できる。したがって、高感度な感磁素子１２ａ，１２ｂを用いた場合であっても、被測定電流Ｉの出力信号の線形性を確保できる測定レンジの広い電流センサを実現できる。
【００４２】
また、本実施の形態に係る電流センサ１においては、一対の感磁素子１２ａ，１２ｂとして、ＧＭＲ素子を用いた場合であっても、ハードバイアスからのバイアス磁界の方向と感度影響軸Ｓ２とを一致させることにより、バイアス磁界の方向に対して略直交する方向から被測定電流Ｉからの誘導磁界Ｈが印加されるので、バイアス磁界の方向における誘導磁界Ｈの影響が実質的にゼロとなる。これにより、出力信号の線形性の向上及びヒステリシスの低減を実現できる。
【００４３】
さらに、本実施の形態に係る電流センサ１においては、一対の感磁素子１２ａ，１２ｂとして、副感度軸を有するＧＭＲ素子や磁気収束板を備えたホール素子を用いた場合であっても、感度影響軸Ｓ２を副感度軸と一致させることにより、被測定電流Ｉからの誘導磁界Ｈが副感度軸に対して直交する方向から印加されるので、副感度軸の方向から印加される誘導磁界Ｈに基づく感度変化が実質的にゼロとなる。これにより、副感度軸に起因する出力信号の線形性の低下を抑制できるので、副感度軸を有する感磁素子を用いた場合においても、被測定電流Ｉの出力信号の線形性を確保できる。
【００４４】
また、本実施の形態に係る電流センサ１においては、導電部材１３を挟むように一対の感磁素子１２ａ，１２ｂを対向して配置したので、一対の感磁素子１２ａ，１２ｂに対して略同一方向から外部磁界Ｈαが印加され、一対の感磁素子１２ａ，１２ｂから略同相の出力信号が出力される。このため、一対の感磁素子１２ａ，１２ｂの出力信号を差動演算することにより、外部磁界Ｈαによるノイズ成分をキャンセルすることができる。
【００４５】
さらに、本実施の形態に係る電流センサ１においては、絶縁基板１１上に一対の感磁素子１２ａ，１２ｂを配設すると共に、絶縁基板１１の切り欠き部１１ａに導電部材１３を挿入したので、一対の感磁素子１２ａ，１２ｂの角度の調整及び位置合わせが容易になると共に、絶縁基板１１を小型化することができる。
【００４６】
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可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。
【００４７】
例えば、上述した実施の形態においては、感磁素子１２ａ，１２ｂの感度軸Ｓ１を略同一方向に揃えた例について説明したが、感磁素子１２ａ，１２ｂの感度軸Ｓ１は、互いに逆方向にしてもよい。この場合、信号処理回路２１は、感磁素子１２ａ、１２ｂから出力された出力信号を加算して、電流値を算出することにより、上記同様に、外部磁界Ｂαに基づく出力信号が相殺され、被測定電流Ｉからの誘導磁界Ｈに基づく出力信号が加算される。この結果、外部磁界Ｈαの影響を排除でき、電流値の測定精度を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、高感度な感磁素子を用いた場合であっても、出力信号の線形性を確保できる測定レンジの広い電流センサを実現できるという効果を有し、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。
【符号の説明】
【００４９】
１ 電流センサ
１１ 絶縁基板
１２ａ，１２ｂ 感磁素子
１３ 導電部材
２１ 信号処理回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定電流からの誘導磁界により出力信号を出力する感磁素子を備え、
前記感磁素子は、感度軸及び当該感度軸と直交する感度影響軸を有し、前記感度軸が前記誘導磁界の方向に対して所定の角度をなすように配置され、前記感度影響軸が前記被測定電流の通流方向及び前記誘導磁界の方向に対して直交に配置されたことを特徴とする電流センサ。
【請求項２】
前記感度影響軸が副感度軸であることを特徴とする請求項１記載の電流センサ。
【請求項３】
前記感磁素子がＧＭＲ素子であることを特徴とする請求項２記載の電流センサ。
【請求項４】
前記感磁素子が磁気収束板を備えたホール素子であることを特徴とする請求項２記載の電流センサ。
【請求項５】
前記感度影響軸が感度変化軸であることを特徴とする請求項１記載の電流センサ。
【請求項６】
前記感磁素子がＧＭＲ素子であることを特徴とする請求項５記載の電流センサ。
【請求項７】
前記感磁素子が一対の感磁素子であり、前記一対の感磁素子の出力信号を差動演算して前記被測定電流の電流値を算出する演算回路を備えることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の電流センサ。
【請求項８】
切り欠き部を有する絶縁基板を備え、前記一対の感磁素子は、前記切り欠き部を挟むように前記絶縁基板に配設されており、前記切り欠き部に前記導電部材が挿入されたことを特徴とする請求項７記載の電流センサ。
【請求項１】
被測定電流からの誘導磁界により出力信号を出力する感磁素子を備え、
前記感磁素子は、感度軸及び当該感度軸と直交する感度影響軸を有し、前記感度軸が前記誘導磁界の方向に対して所定の角度をなすように配置され、前記感度影響軸が前記被測定電流の通流方向及び前記誘導磁界の方向に対して直交に配置されたことを特徴とする電流センサ。
【請求項２】
前記感度影響軸が副感度軸であることを特徴とする請求項１記載の電流センサ。
【請求項３】
前記感磁素子がＧＭＲ素子であることを特徴とする請求項２記載の電流センサ。
【請求項４】
前記感磁素子が磁気収束板を備えたホール素子であることを特徴とする請求項２記載の電流センサ。
【請求項５】
前記感度影響軸が感度変化軸であることを特徴とする請求項１記載の電流センサ。
【請求項６】
前記感磁素子がＧＭＲ素子であることを特徴とする請求項５記載の電流センサ。
【請求項７】
前記感磁素子が一対の感磁素子であり、前記一対の感磁素子の出力信号を差動演算して前記被測定電流の電流値を算出する演算回路を備えることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の電流センサ。
【請求項８】
切り欠き部を有する絶縁基板を備え、前記一対の感磁素子は、前記切り欠き部を挟むように前記絶縁基板に配設されており、前記切り欠き部に前記導電部材が挿入されたことを特徴とする請求項７記載の電流センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−８８３７０（Ｐ２０１３−８８３７０Ａ）
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３１２９７（Ｐ２０１１−２３１２９７）
【出願日】平成２３年１０月２１日（２０１１．１０．２１）
【出願人】（３１００１４３２２）アルプス・グリーンデバイス株式会社 (47)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２１日（２０１１．１０．２１）
【出願人】（３１００１４３２２）アルプス・グリーンデバイス株式会社 (47)
【Ｆターム（参考）】
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