(57)【要約】  高い精度の電流測定を維持し、取り付け精度を緩和した電流センサを提供する。直列に接続された複数の磁気センサユニット（１１ａ〜１１ｈ）からなる磁気センサモジュールを備え、磁気センサユニットは、互いに感度軸が逆向きの第１磁気センサ素子（１２ａ）と第２磁気センサ素子（１２ｂ）とを有し、第１磁気センサユニットの第１端（１２ａａ）は第１電位源が接続され、第１磁気センサユニットの第３端（１２ｂａ）は第２電位源が接続され、最終磁気センサユニットの第２端（１２ａｂ）と第４端（１２ｂｂ）とは接続されてセンサ出力端となり、第１磁気センサユニット（１１ａ）を除く磁気センサユニット（１１ｂ〜１１ｈ）の第１端は隣接する磁気センサユニットの第２端と接続され、第３端は隣接する磁気センサユニットの第４端と接続され、複数の第１磁気センサ素子の感度軸と、複数の第２磁気センサ素子の感度軸とが同心円に沿って配置されている。
2012073732.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列に接続された複数の磁気センサユニットからなる磁気センサモジュールを備え、
前記磁気センサユニットは、互いに感度軸が逆向きの第１磁気センサ素子と第２磁気センサ素子と、前記第１磁気センサ素子の一端に接続される第１端と、前記第１磁気センサ素子の他端に接続される第２端と、前記第２磁気センサ素子の一端に接続される第３端と、第２磁気センサ素子の他端に接続される第４端とを有し、
第１磁気センサユニットの前記第１端は第１電位源が接続され、
前記第１磁気センサユニットの前記第３端は第２電位源が接続され、
最終磁気センサユニットの前記第２端と前記第４端とは接続されてセンサ出力端となり、
第１磁気センサユニットを除く前記磁気センサユニットの前記第１端は隣接する磁気センサユニットの前記第２端と接続され、前記第３端は隣接する磁気センサユニットの前記第４端と接続され、
前記複数の第１磁気センサ素子の前記感度軸と、前記複数の第２磁気センサ素子の前記感度軸とが同心円に沿って配置されたことを特徴とする電流センサ。
【請求項２】
前記同心円の中心から等角度間隔に配置された前記複数の磁気センサユニットを有する一つの前記磁気センサモジュールを備えたことを特徴とする請求項１記載の電流センサ。
【請求項３】
前記磁気センサモジュールは４個以上の磁気センサユニットを含むことを特徴とする請求項２に記載の電流センサ。
【請求項４】
前記磁気センサモジュールは偶数個の磁気センサユニットを含むことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の電流センサ。
【請求項５】
前記同心円の中心から等角度間隔に配置された前記複数の磁気センサユニットを有する複数の前記磁気センサモジュールを備えたことを特徴とする請求項１記載の電流センサ。
【請求項６】
前記複数の磁気センサモジュールは合計で４個以上の磁気センサユニットを含むことを特徴とする請求項５に記載の電流センサ。
【請求項７】
前記複数の磁気センサモジュールは合計で偶数個の磁気センサユニットを含むことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の電流センサ。
【請求項８】
前記複数の磁気センサユニットは同一円上に配置されたことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の電流センサ。
【請求項９】
前記磁気センサユニットにおいて、第１磁気センサ素子と第２磁気センサ素子との感度の絶対値は略等しい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。
【請求項１０】
前記磁気センサユニットは、同一基板に設けられた第１磁気センサ素子と第２磁気センサ素子とを含むことにより、一チップで構成された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。
【請求項１１】
前記第１磁気センサ素子および前記第２磁気センサ素子として、ＧＭＲ素子を用いることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれかに記載の電流センサ。
【請求項１２】
前記同心円の中心に、被測定電流が通流する電流線が配置されることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれかに記載の電流センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定電流を非接触で測定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提案されている。例えば、特許文献１には、磁気センサ用の素子として磁気抵抗素子を用いた電流センサが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１５６３９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述のような非接触型の電流センサでは、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ため、被測定電流が通流する電流線に対し磁気センサの取り付け位置が僅かにずれるだけで、大きな測定誤差が生ずる。このため、被測定電流が通流する電流線に対し、磁気センサを含む電流センサを高い取り付け精度で配置することが求められる。【０００５】
しかしながら、電流線に対する電流センサの取り付け精度を高めると、電流センサ取り付け容易性が低下する。このため、非接触型の電流センサにおいて、取り付け容易性を確保しつつ、電流測定精度を高く保つことは困難であった。【０００６】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、電流測定精度を高く維持すると共に、被測定電流が通流する電流線への取り付け精度が緩和された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、直列に接続された複数の磁気センサユニットからなる磁気センサモジュールを備え、前記磁気センサユニットは、互いに感度軸が逆向きの第１磁気センサ素子と第２磁気センサ素子と、前記第１磁気センサ素子の一端に接続される第１端と、前記第１磁気センサ素子の他端に接続される第２端と、前記第２磁気センサ素子の一端に接続される第３端と、第２磁気センサ素子の他端に接続される第４端とを有し、第１磁気センサユニットの前記第１端は第１電位源が接続され、前記第１磁気センサユニットの前記第３端は第２電位源が接続され、最終磁気センサユニットの前記第２端と前記第４端とは接続されてセンサ出力端となり、第１磁気センサユニットを除く前記磁気センサユニットの前記第１端は隣接する磁気センサユニットの前記第２端と接続され、前記第３端は隣接する磁気センサユニットの前記第４端と接続され、前記複数の第１磁気センサ素子の前記感度軸と、前記複数の第２磁気センサ素子の前記感度軸とが同心円に沿って配置されたことを特徴とする。【０００８】
この構成によれば、磁気センサ素子の感度軸が同心円に沿って配置されているため、電流測定時において被測定電流が通流する電流線の周囲を囲んで誘導磁界を検出し、その測定値を用いて電流値を算出することができる。このような構成では、電流線に対する位置ずれにより一の磁気センサユニットに表れる影響を、他の磁気センサユニットによってキャンセルすることが可能である。このため、電流線への電流センサの取り付け精度が高くなくとも、高い精度の電流測定が可能になる。つまり、電流測定精度を高く維持すると共に、被測定電流が通流する電流線への取り付け精度が緩和された電流センサを提供することができる。【０００９】
本発明の電流センサにおいて、前記同心円の中心から等角度間隔に配置された前記複数の磁気センサユニットを有する一つの前記磁気センサモジュールを備えても良い。また、前記磁気センサモジュールは４個以上の磁気センサユニットを含んでも良い。また、前記磁気センサモジュールは偶数個の磁気センサユニットを含んでも良い。これらの構成によれば、電流線に対する位置ずれによる影響のキャンセルをより好適に行うことができるようになり、さらに高い電流測定精度を維持することができる。【００１０】
本発明の電流センサにおいて、前記同心円の中心から等角度間隔に配置された前記複数の磁気センサユニットを有する複数の前記磁気センサモジュールを備えても良い。また、前記複数の磁気センサモジュールは合計で４個以上の磁気センサユニットを含んでも良い。また、前記複数の磁気センサモジュールは合計で偶数個の磁気センサユニットを含んでも良い。これらの構成によれば、電流線に対する位置ずれによる影響のキャンセルをより好適に行うことができるようになり、さらに高い電流測定精度を得ることができる。【００１１】
本発明の電流センサにおいて、前記複数の磁気センサユニットは同一円上に配置されても良い。この構成によれば、磁気センサユニットの配置が整えられて電流線に対する位置ずれによる影響を十分にキャンセルできるようになり、さらに高い電流測定精度を得ることができる。【００１２】
本発明の電流センサは、前記磁気センサユニットにおいて、第１磁気センサ素子と第２磁気センサ素子との感度の絶対値は略等しくても良い。また、前記磁気センサユニットは、同一基板に設けられた第１磁気センサ素子と第２磁気センサ素子とを含むことにより、一チップで構成されても良い。この構成によれば、同一磁気センサユニット内における第１磁気センサ素子および第２磁気センサ素子の感度ばらつきが低減されるため、さらに高い電流測定精度を得ることができる。【００１３】
本発明の電流センサにおいて、前記第１磁気センサ素子および前記第２磁気センサ素子として、ＧＭＲ素子を用いても良い。【００１４】
本発明の電流センサにおいて、前記同心円の中心に、被測定電流が通流する電流線が配置されても良い。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の電流センサでは、感度軸が同心円に沿って配置される第１磁気センサ素子および第２磁気センサ素子を有する複数の磁気センサユニットを備えているため、電流測定時において被測定電流が通流する電流線の周囲を囲んで誘導磁界を検出し、その測定値を用いて電流値を算出することができる。このような構成では、電流線に対する位置ずれにより一の磁気センサユニットに表れる影響を、同心円に沿って配置された他の磁気センサユニットによってキャンセルすることが可能である。このため、電流線への電流センサの取り付け精度が高くなくとも、高い精度の電流測定が可能になる。つまり、電流測定精度を高く維持すると共に、被測定電流が通流する電流線への取り付け精度が緩和された電流センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施の形態１に係る電流センサの構成例について示す模式図である。
【図２】実施の形態１に係る磁気センサユニットの構成例を示す模式図である。
【図３】実施の形態１に係る磁気抵抗効果素子の製造方法を説明するための図である。
【図４】実施の形態１に係る磁気抵抗効果素子の製造方法を説明するための図である。
【図５】電流センサと電流線との位置関係を示す模式図である。
【図６】図６Ａは、位置ずれ量と、各磁気センサユニットが受ける磁束密度との関係を示すグラフである。図６Ｂは、位置ずれ量と、各磁気センサユニットが受ける磁束密度の総和との関係を示すグラフである。
【図７】図７Ａ〜図７Ｄは、磁気センサユニット数を異ならせた電流センサの模式図である。図７Ｅは、計算機シミュレーションによって求めた電流線位置ずれ量と電流センサの出力変動率との関係を示すグラフである。
【図８】一定の外部磁場を加えた条件と、外部磁場を加えない条件とにおいて、計算機シミュレーションによって求めた電流線位置ずれ量と電流センサの出力変動率との関係を示すグラフである。
【図９】図９Ａは、電流センサと近接する位置に、別の電流線が配置された状態を示す模式図である。図９Ｂ〜Ｄは、磁気センサユニット数および配置を異ならせた電流センサの模式図である。
【図１０】図１０Ａ、Ｂは、各磁気センサユニットの感度ばらつきが与える影響を示すグラフである。図１０Ｃ、Ｄは、各磁気センサユニットの角度ばらつきが与える影響を示すグラフである。
【図１１】実施の形態２に係る電流センサの構成例について示す模式図である。
【図１２】実施の形態２に係る電流センサの構成例について示す機能ブロック図である。
【図１３】実施の形態２に係る電流センサの変形例について示す模式図である。
【図１４】実施の形態２に係る電流センサの変形例について示す模式図および機能ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
非接触で電流を測定する電流センサでは、電流線と電流センサとの位置関係が僅かでもずれると大きな測定誤差が生じていた。これは、電流センサ内の磁気センサ素子が受ける磁界の強さが、磁界の源である被測定電流からの距離をパラメータとして決定されるためである。磁気センサ素子と被測定電流との距離が小さくなれば磁界は強くなり、電流センサの測定値は＋方向にずれる。磁気センサ素子と被測定電流との距離が大きくなれば磁界は弱くなり、電流センサの測定値は−方向にずれる。
【００１８】
本発明者らはこの点に着目し、誘導磁界によって生じる磁気センサ素子の特性変動を、被測定電流の周りにおいて足し合わせることができるように電流センサを構成することで、＋方向の影響と−方向の影響とをキャンセルして位置ずれの影響を低減し、高い電流測定精度を維持できると考えた。すなわち、本発明の骨子は、被測定電流が通流する電流線が配置される軸を囲うように複数の磁気センサ素子を同心円に沿って配置することで、高い電流測定精度を維持しつつ、位置ずれの影響を低減し、電流センサの取り付け精度に対する要求を緩和する点にある。以下、実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１９】
（実施の形態１）
本実施の形態では、複数の磁気センサユニットを含む一の磁気センサモジュールにより構成される電流センサについて説明する。図１は、本実施の形態に係る電流センサの平面視を示す模式図である。図１に示される電流センサ１は、平面視における正八角形の頂点に相当する位置に配置された磁気センサユニット１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ、１１ｆ、１１ｇ、１１ｈを含む一の磁気センサモジュールにより構成されている。なお、図１では、正八角形の頂点に相当する８か所に８個の磁気センサユニットが配置された構成、すなわち、８個の磁気センサユニットが同心円に沿って配置された構成について示しているが、電流センサの構成はこれに限られない。磁気センサユニットの数は、複数であれば良い。また、磁気センサユニットは、少なくとも平面視における一点（一軸、中心）を囲むように配置されていれば良い。例えば、磁気センサユニットは、平面視における多角形（正多角形に限られない）の頂点上や円周上に配置されても良い。
【００２０】
電流センサ１において、被測定電流が通流する電流線（図示せず）は、平面視において各磁気センサユニット１１ａ〜１１ｈから略等距離にある点Ａ（軸Ａ）付近に、図面奥行き方向に配置される。言い換えれば、各磁気センサユニット１１ａ〜１１ｈは、被測定電流が通流する方向（電流線が延在する方向）に垂直な平面に投影した場合に、点Ａ（軸Ａ）から略等距離の正八角形の頂点に相当する位置に配置される。点Ａは、平面視において各磁気センサユニット１１ａ〜１１ｈが配置される同心円の中心に相当する。なお、電流線の位置はこれに限られない。本実施の形態に係る電流センサ１では、電流線と、電流センサ１（または各磁気センサユニット１１ａ〜１１ｈ）との相対的位置関係に対する要求は緩和されている。言い換えれば、電流線と、電流センサ１（または各磁気センサユニット１１ａ〜１１ｈ）との位置関係に関する制約が小さくなり、配置の自由度が高められている。このため、電流線は、点Ａ（軸Ａ）からずれた位置に配置されても良い。ただし、位置ずれの影響を低減するという効果を得るために、電流線は、平面視において各磁気センサユニット１１ａ〜１１ｈによって囲まれる領域に配置されることが望ましい。
【００２１】
各磁気センサユニット１１ａ〜１１ｈの図面奥行き方向（被測定電流が通流する方向、電流線が延在する方向）に関する配置は任意である。被測定電流が通流する方向に垂直な平面において上述の位置関係を有していれば、位置ずれの影響を補償できる。すなわち、各磁気センサユニット１１ａ〜１１ｈは、同一平面内に配置されることに限られない。例えば、各磁気センサユニット１１ａ〜１１ｈは、電流線を中心軸とするらせん状に配置されても良い。以下、特に言及しない場合、各構成要素の配置は、被測定電流が通流する方向に垂直な平面に投影した平面視についてのものとする。
【００２２】
各磁気センサユニット１１ａ〜１１ｈはそれぞれ、感度軸が互いに逆向きの磁気センサ素子（第１磁気センサ素子）１２ａおよび磁気センサ素子（第２磁気センサ素子）１２ｂを有する。磁気センサ素子としては、例えば、磁気抵抗効果素子やホール素子などを挙げることができるが、特に、ＧＭＲ素子などの磁気抵抗効果素子を適用することが望ましい。
【００２３】
ここで、磁気センサ素子１２ａの感度軸は、同心円に沿って反時計回りの方向を向いている。また、磁気センサ素子１２ｂの感度軸は、同心円に沿って時計回りの方向を向いている。このように、被測定電流を効率良く検出するためには、磁気センサ素子１２ａおよび１２ｂの感度軸は、被測定電流による誘導磁界に平行な方向を向いていることが望ましい。つまり、磁気センサ素子１２ａおよび１２ｂの感度軸は、各磁気センサユニット１１ａ〜１１ｈにより形成される周の接線方向を向いていることが望ましい。ただし、磁気センサ素子１２ａおよび１２ｂの感度軸の向きはこれに限定されない。磁気センサ素子１２ａおよび１２ｂの感度軸が、被測定電流による誘導磁界に垂直な方向を向いていない限り、被測定電流を検出することが可能である。
【００２４】
電流センサ１において、磁気センサユニット（第１磁気センサユニット）１１ａにおける磁気センサ素子（第１磁気センサ素子）１２ａの第１端（不図示）は磁気センサユニット１１ａの端子１２ａａ（第１端）と接続されており、端子１２ａａには、電源電位Ｖｄｄ（第１電位）を与える電位源が接続されている。また、磁気センサユニット１１ａにおける磁気センサ素子（第２磁気センサ素子）１２ｂの第１端（不図示）は磁気センサユニット１１ａの端子１２ｂａ（第３端）と接続されており、端子１２ｂａには、接地電位ＧＮＤ（第２電位）を与える電位源が接続されている。また、磁気センサユニット１１ａと隣接する磁気センサユニット（最終磁気センサユニット）１１ｈにおける磁気センサ素子（第１磁気センサ素子）１２ａの第２端（不図示）は磁気センサユニット１１ｈの端子１２ａｂ（第２端）と接続されており、磁気センサ素子（第２磁気センサ素子）１２ｂの第２端（不図示）は磁気センサユニット１１ｈの端子１２ｂｂ（第４端）と接続されている。そして、磁気センサユニット１１ｈの端子１２ａｂと端子１２ｂｂとは電気的に接続され、センサ出力Ｏｕｔを出力する出力端子を構成している。
【００２５】
また、電流センサ１において、感度軸方向が反時計回りの方向となる全ての磁気センサ素子（第１磁気センサ素子）１２ａは直列に接続されている。また、感度軸方向が時計回りとなる全ての磁気センサ素子（第２磁気センサ素子）１２ｂは直列に接続されている。より具体的には、任意の磁気センサユニットにおける端子１２ａａ（磁気センサ素子（第１磁気センサ素子）１２ａの第１端）と、これに隣接する磁気センサユニットにおける端子１２ａｂ（磁気センサ素子（第１磁気センサ素子）１２ａの第２端）とが電気的に接続されている。また、任意の磁気センサユニットにおける端子１２ｂａ（磁気センサ素子（第２磁気センサ素子）１２ｂの第１端）と、これに隣接する磁気センサユニットにおける端子１２ｂｂ（磁気センサ素子（第２磁気センサ素子）１２ｂの第２端）とが電気的に接続されている。ただし、電位源が接続される端子や、出力端子を構成する端子は上述の接続関係から除かれる。
【００２６】
すなわち、磁気センサユニット１１ａにおける磁気センサ素子１２ａの第１端（端子１２ａａに相当）と、磁気センサユニット１１ａにおける磁気センサ素子１２ｂの第１端（端子１２ｂａに相当）とは、他の磁気センサユニットを介して電気的に接続され、閉回路が構成されている。当該閉回路はいわゆるハーフブリッジ回路である。当該ハーフブリッジ回路は、各磁気センサ素子の電圧降下を反映した電位をセンサ出力Ｏｕｔとして出力することができるため、誘導磁界による各磁気センサ素子の特性変動を反映したセンサ出力Ｏｕｔを得ることができる。このため、センサ出力Ｏｕｔから、被測定電流の電流値を算出することが可能である。
【００２７】
なお、磁気センサ素子１２ａおよび磁気センサ素子１２ｂとして磁気抵抗効果素子を用いる場合には、図２に示されるように、各磁気センサユニット１１ａ〜１１ｈにおいて、磁気センサ素子１２ａおよび磁気センサ素子１２ｂとして用いられる磁気抵抗効果素子３１ａ、および磁気抵抗効果素子３１ｂは同一基板に設けられ、一チップで構成されていることが望ましい。磁気抵抗効果素子３１ａ、および磁気抵抗効果素子３１ｂを同一基板に設けることで、磁気抵抗効果素子３１ａと磁気抵抗効果素子３１ｂとのばらつき（感度のばらつき等）を抑制し、電流測定精度を高めることができる。なお、図２に示されるように、磁気抵抗効果素子３１ａ、および磁気抵抗効果素子３１ｂの平面形状はミアンダ形状となっている。
【００２８】
図３および図４は、磁気センサ素子１２ａおよび磁気センサ素子１２ｂとして用いられる感度軸が逆向きの（１８０°異なる）磁気抵抗効果素子の製造方法を説明するための断面模式図である。まず、図３Ａに示される基板４１上に、シード層４２ａ、第１の強磁性膜４３ａ、反平行結合膜４４ａ、第２の強磁性膜４５ａ、非磁性中間層４６ａ、軟磁性自由層（フリー磁性層）４７ａ，４８ａ、および保護層４９ａを順次形成する。第１の強磁性膜４３ａおよび第２の強磁性膜４５ａの成膜中には、磁気抵抗効果素子におけるミアンダ形状のストライプ幅方向に磁場を印加する。図３において、第１の強磁性膜４３ａについては、印加する磁場の方向は紙面奥側から手前側に向かう方向であり、第２の強磁性膜４５ａについては、印加する磁場の方向は紙面手前側から奥側に向かう方向である。また、軟磁性自由層（フリー磁性層）４７ａ，４８ａの成膜中には、磁気抵抗効果素子におけるミアンダ形状のストライプ長手方向に磁場を印加する。
【００２９】
次いで、図３Ｂに示されるように、保護層４９ａ上にレジスト材料を堆積し、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、一方の磁気抵抗効果素子が形成される領域上にレジスト層５１を形成する。次いで、図３Ｃに示されるように、イオンミリングなどの方法を用い、露出している積層膜を除去して、他方の磁気抵抗効果素子が形成される領域の基板４１を露出させる。
【００３０】
次いで、図４Ａに示されるように、露出した基板４１上に、シード層４２ｂ、第１の強磁性膜４３ｂ、反平行結合膜４４ｂ、第２の強磁性膜４５ｂ、非磁性中間層４６ｂ、軟磁性自由層（フリー磁性層）４７ｂ，４８ｂ、および保護層４９ｂを順次形成する。第１の強磁性膜４３ｂおよび第２の強磁性膜４５ｂの成膜中には、磁気抵抗効果素子におけるミアンダ形状のストライプ幅方向に磁場を印加する。図４において、第１の強磁性膜４３ｂについては、印加する磁場の方向は紙面手前側から奥側に向かう方向であり、第２の強磁性膜４５ｂについては、印加する磁場の方向は紙面奥側から手前側に向かう方向である。また、軟磁性自由層（フリー磁性層）４７ｂ，４８ｂの成膜中には、磁気抵抗効果素子におけるミアンダ形状のストライプ長手方向に磁場を印加する。
【００３１】
次いで、図４Ｂに示されるように、保護層４９ａ，４９ｂ上にレジスト材料を堆積し、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、磁気抵抗効果素子の形成領域上にレジスト層５２を形成する。次いで、図４Ｃに示されるように、イオンミリングなどの方法を用い、露出している積層膜を除去して、磁気抵抗効果素子３１ａ、３１ｂを形成する。
【００３２】
上述の製造方法によれば、二つの磁気抵抗効果素子３１ａ、３１ｂにおいて、セルフピン止め型の強磁性固定層の磁化方向が逆向き（１８０°異なる方向）となるので、二つの磁気抵抗効果素子３１ａ、３１ｂの特性ばらつきを抑制することができる。このため、このような磁気抵抗効果素子３１ａ、３１ｂを磁気センサ素子１２ａ、１２ｂとして用いることにより、電流測定精度を高めることができる。
【００３３】
図５は、本実施の形態における電流センサ１において、電流線２に対する取り付け位置ずれが発生する様子を示す模式図である。ここで、図５に示されるように、電流センサ１の各磁気センサユニット１１ａ〜１１ｈから等しい距離にある点（図１の点Ａに相当）を電流線２の基準位置として、電流線２を磁気センサユニット１１ｃの方向（図中矢印の方向）に移動（位置ずれ）させることを考える。この場合、電流線２の基準位置からの位置ずれ量（ｍｍ）と、各磁気センサユニット１１ａ〜１１ｈが受ける磁束密度（ｍＴ）との関係は図６Ａのようになる。すなわち、電流線位置ずれ量に応じて各磁気センサユニット１１ａ〜１１ｈが受ける磁束密度が大きく変化する。なお、電流センサ１の各磁気センサユニット１１ａ〜１１ｈは、電流線２の基準位置（図１の点Ａ）から１０ｍｍの位置に配置した。
【００３４】
一方で、各磁気センサユニット１１ａ〜１１ｈが受ける磁束密度の総和（合計値）は、図６Ｂのようになる。この場合、各磁気センサユニット１１ａ〜１１ｈが受ける磁束密度の総和は、電流線２の位置ずれの影響をほとんど受けていない。このことは、電流線を囲うように複数の磁気センサユニットを配置して、複数の磁気センサユニットの特性変化の総和が検出されるようにブリッジ回路を構成することで、電流線の位置ずれの影響を十分に低減できることを示している。
【００３５】
本実施の形態における電流センサ１では、上述のように、複数の磁気センサユニットの特性変化の総和が検出されるようにブリッジ回路を構成しているため、電流測定精度を高く維持すると共に、被測定電流が通流する電流線への取り付け精度を緩和することができる。
【００３６】
なお、電流線の位置ずれの影響を十分に低減するためには、各磁気センサユニットは、各磁気センサユニットが受ける磁束密度が電流線からの距離の一次関数で近似表現される領域に配置されることが望ましい。このような領域では、位置ずれに起因して生じる磁気センサユニットの特性変動を、軸Ａ（中心軸）を挟んで向かい合う磁気センサユニットの特性変動によって適切にキャンセルできる。また、位置ずれの影響を十分にキャンセルするためには、三個以上の磁気センサユニットを用いることが望ましい。二個の磁気センサユニットでは、二個の磁気センサユニットを結ぶ線に対して垂直な方向の位置ずれを補償できない可能性があるためである。また、磁気センサユニットは、電流センサ１の軸Ａ（中心軸）に対して均等に配置されることが望ましい。このように配置されることで、位置ずれの影響を十分に緩和できるようになる。特に、電流センサ１の軸Ａ（中心軸）に対して磁気センサユニットが対向するように、偶数個の磁気センサユニットを配置することが望ましい。複数の磁気センサユニットをこのように配置することで、位置ずれの影響をさらに緩和できる。なお、磁気センサユニットの個数は偶数に限定されない。
【００３７】
また、各磁気センサユニットは、任意の磁気センサユニットと電流センサ１の軸Ａとの間隔が略一定になるように配置されることが望ましい。これにより、向かい合う磁気センサユニットによる位置ずれの緩和が適切に行われる。ただし、厳密に一定の間隔である必要はない。同様の観点から、複数の磁気センサユニットが略正多角形状、または略同心円状に配置されることが望ましい。ただし、厳密に正多角形状、同心円状である必要はない。また、複数の磁気センサユニットが互いに略等間隔に配置されることが望ましい。
【００３８】
図７Ａ〜図７Ｄは、磁気センサユニット数を異ならせた場合の電流センサ１の模式図である。図７Ａに示される電流センサ１において、２個の磁気センサユニットが電流線２を挟んで配置されている。また、図７Ｂに示される電流センサ１において、４個の磁気センサユニットが電流線２に対して略点対称に配置されている。また、図７Ｃに示される電流センサ１において、６個の磁気センサユニットが電流線２に対して略点対称に配置されている。また、図７Ｄに示される電流センサ１において、８個の磁気センサユニットが電流線２に対して略点対称に配置されている。
【００３９】
図７Ｅは、計算機シミュレーションによって求めた電流線位置ずれ量（ｍｍ）と電流センサ１の出力変動率（％）との関係を、図７Ａ〜図７Ｄに示される電流センサ１ごとに示したグラフである。図７Ｅから、電流センサ１内の磁気センサユニット数が増加すると、電流線位置ずれ量が大きくなってもセンサ出力の変動を抑制できることが分かる。当該シミュレーション結果から、磁気センサユニット数は４以上とするのが効果的である。
【００４０】
図８は、一定の外部磁場を加えた条件と、外部磁場を加えない条件とにおいて、計算機シミュレーションによって求めた電流線位置ずれ量（ｍｍ）と電流センサ１の出力変動率（％）との関係を示すグラフである。なお、電流センサ１において、磁気センサユニット数は８とした。図８から、電流センサ１は一定の外部磁場の影響を受けていないことが分かる。これは、磁気センサユニット内の感度軸が逆向きの一対の磁気センサ素子と、複数の磁気センサユニットとによって、外部磁場の影響をキャンセルできるためである。このように、本実施の形態の電流センサ１は、外部磁場の影響を低減し電流測定精度を高めるという点においても有効である。なお、外部磁場の影響を十分にキャンセルするためには、磁気センサユニット内の二つの磁気センサ素子の感度の絶対値は、略等しいことが望ましい。
【００４１】
図９Ａの模式図に示されるように、電流センサ１（および電流線２）と近接する位置に別の電流線３が配置された状態において、電流線３に所定の電流が通流する場合の電流センサ１の電流測定精度を計算機シミュレーションによって求めた。ここでは、電流線２−電流線３間の距離ｄをパラメータとして、磁気センサユニットの数および配置が異なる電流センサ１について計算機シミュレーションを行った。以下の表に、当該シミュレーション結果を示す。なお、表中、「４センサＡ」は、図９Ｂに示されるように電流センサ１が４個の磁気センサユニットで構成される場合のシミュレーション結果を示し、「４センサＢ」は、図９Ｃに示されるように電流センサ１が４個の磁気センサユニットで構成される別の場合のシミュレーション結果を示し、「８センサ」は、図９Ｄに示されるように電流センサ１が８個の磁気センサユニットで構成される場合のシミュレーション結果を示す。
【表１】
2012073732.tif 000003
【００４２】
図９Ａに示されるような状態では、通常、電流線３を通流する電流線の影響が大きな問題となる。一方、本実施の形態における電流センサ１では、磁気センサユニットの数や配置によって程度の差はあるが、隣接する電流線３の影響を低減できている。これは、磁気センサユニット内の感度軸が逆向きの一対の磁気センサ素子と、複数の磁気センサユニットとによって、電流線３からの影響をキャンセルすることができるためである。なお、上記表からも分かるように、磁気センサユニットの数を多くすることにより、隣接する電流線３の影響をより低減することが可能である。
【００４３】
図１０は、電流測定において、各センサユニットの感度ばらつきや角度ばらつきが与える影響を計算機シミュレーションによって求めた結果を示すグラフである。図１０Ａ、図１０Ｂは、各磁気センサユニットの感度ばらつきが０％、１％、３％、５％の各場合における、電流線位置ずれ量（ｍｍ）と電流センサ１の出力変動率（％）との関係を示している。ここで、図１０Ａは、磁気センサユニットが８個の場合のシミュレーション結果であり、図１０Ｂは、磁気センサユニットが４個の場合のシミュレーション結果である。図１０Ｃ、図１０Ｄは、各センサユニットの角度ばらつきが０度、１度、５度、７度の各場合における、電流線位置ずれ量（ｍｍ）と電流センサ１の出力変動率（％）との関係を示している。ここで、図１０Ｃは、磁気センサユニットが８個の場合のシミュレーション結果であり、図１０Ｄは、磁気センサユニットが４個の場合のシミュレーション結果である。
【００４４】
図１０に示される結果から、各磁気センサユニットの感度ばらつき、および角度ばらつきが小さいほど出力変動率を小さくすることが可能であり、電流測定精度を高めることができるのが分かる。理想的には、各センサユニットの感度（感度の絶対値）は等しいことが望ましく、各センサユニットの角度ばらつきは存在しないことが望ましい。なお、磁気センサユニットの数を多くすることは、感度ばらつき角度ばらつきの影響緩和の点においても効果的である。
【００４５】
以上のように、本実施の形態の電流センサでは、電流測定時において被測定電流が通流する電流線が配置される軸の周囲を囲うように複数の磁気センサユニットが配置されているため、電流線の全周囲において誘導磁界を検出し、その総和から電流値を算出することができる。このような構成では、電流線に対する位置ずれにより一の磁気センサユニットに表れる影響を、軸の周囲に配置された他の磁気センサユニットによってキャンセルすることが可能である。このため、電流線への電流センサの取り付け精度が高くなくとも、高い精度の電流測定が可能になる。つまり、電流測定精度を高く維持すると共に、被測定電流が通流する電流線への取り付け精度が緩和された電流センサを提供することができる。
【００４６】
本実施の形態に係る構成は、他の実施の形態に係る構成と適宜組み合わせて実施することができる。
【００４７】
（実施の形態２）
本実施の形態では、複数の磁気センサユニットを含む複数の磁気センサモジュールにより構成される電流センサについて説明する。なお、実施の形態１と同等の構成については、詳細な説明を省略する。
【００４８】
図１１は、本実施の形態に係る電流センサの平面視を示す模式図である。図１１に示される電流センサ４は、平面視における正八角形の頂点に相当する位置に配置された磁気センサユニット４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄを含む磁気センサモジュール４ａと、磁気センサユニット４１ｅ、４１ｆ、４１ｇ、４１ｈを含む磁気センサモジュール４ｂとで構成されている。なお、図１１では、正八角形の頂点に相当する８か所に合計８個の磁気センサユニットが配置された構成、すなわち、８個の磁気センサユニットが同心円に沿って配置された構成について示しているが、電流センサの構成はこれに限られない。電流センサに含まれる磁気センサユニットの数は、複数であれば良い。また、磁気センサユニットは、少なくとも平面視における一点（一軸、中心）を囲むように配置されていれば良い。例えば、磁気センサユニットは、平面視における多角形（正多角形に限られない）の頂点上や円周上に配置されても良い。
【００４９】
電流センサ４において、被測定電流が通流する電流線（図示せず）は、平面視において各磁気センサユニット４１ａ〜４１ｈから略等距離にある点Ａ（軸Ａ）付近に、図面奥行き方向に配置される。言い換えれば、各磁気センサユニット４１ａ〜４１ｈは、被測定電流が通流する方向（電流線が延在する方向）に垂直な平面に投影した場合に、点Ａ（軸Ａ）から略等距離の正八角形の頂点に相当する位置に配置される。点Ａは、平面視において各磁気センサユニット４１ａ〜４１ｈが配置される同心円の中心に相当する。なお、電流線の位置はこれに限られない。本実施の形態に係る電流センサ４では、電流線と、電流センサ４との相対的位置関係に対する要求は緩和されている。言い換えれば、電流線と、電流センサ４との位置関係に関する制約が小さくなり、配置の自由度が高められている。このため、電流線は、点Ａ（軸Ａ）からずれた位置に配置されても良い。ただし、位置ずれの影響を低減するという効果を得るために、電流線は、平面視において各磁気センサユニット４１ａ〜４１ｈによって囲まれる領域に配置されることが望ましい。
【００５０】
各磁気センサユニット４１ａ〜４１ｈの図面奥行き方向に関する配置は任意である。被測定電流が通流する方向に垂直な平面において上述の位置関係を有していれば、位置ずれの影響を補償できる。すなわち、各磁気センサユニット４１ａ〜４１ｈは、同一平面内に配置されることに限られない。例えば、各磁気センサユニット４１ａ〜４１ｈは、電流線を中心軸とするらせん状に配置されても良い。以下、特に言及しない場合、各構成要素の配置は、被測定電流が通流する方向に垂直な平面に投影した平面視についてのものとする。
【００５１】
各磁気センサユニット４１ａ〜４１ｈの構成は、実施の形態１に係る磁気センサユニットの構成と同様である。すなわち、各磁気センサユニット４１ａ〜４１ｈはそれぞれ、感度軸が互いに逆向きの磁気センサ素子（第１磁気センサ素子）４２ａおよび磁気センサ素子（第２磁気センサ素子）４２ｂを有する。磁気センサ素子の構成は実施の形態１と同様である。
【００５２】
電流センサ４の磁気センサモジュール４ａにおいて、磁気センサ素子４２ａの感度軸は、同心円に沿って時計回りの方向を向いている。また、磁気センサ素子４２ｂの感度軸は、同心円に沿って反時計回りの方向を向いている。ただし、磁気センサモジュール４ａにおける磁気センサ素子４２ａおよび４２ｂの感度軸の向きはこれに限定されない。
【００５３】
磁気センサモジュール４ａにおいて、磁気センサユニット（第１磁気センサユニット）４１ａにおける磁気センサ素子４２ａの第１端（不図示）は磁気センサユニット４１ａの端子４２ａａと接続されており、端子４２ａａには、接地電位ＧＮＤを与える電位源が接続されている。また、磁気センサユニット４１ａにおける磁気センサ素子４２ｂの第１端（不図示）は磁気センサユニット４１ａの端子４２ｂａと接続されており、端子４２ｂａには、電源電位Ｖｄｄを与える電位源が接続されている。また、磁気センサユニット（最終磁気センサユニット）４１ｄにおける磁気センサ素子４２ａの第２端（不図示）は磁気センサユニット４１ｄの端子４２ａｂと接続されており、磁気センサ素子４２ｂの第２端（不図示）は磁気センサユニット４１ｄの端子４２ｂｂと接続されている。そして、磁気センサユニット４１ｄの端子４２ａｂと端子４２ｂｂとは電気的に接続され、センサ出力Ｏｕｔ１を出力する出力端子を構成している。
【００５４】
また、磁気センサモジュール４ａにおいて、感度軸方向が時計回りの方向となる全ての磁気センサ素子４２ａは直列に接続されている。また、感度軸方向が反時計回りとなる全ての磁気センサ素子４２ｂは直列に接続されている。より具体的には、任意の磁気センサユニットにおける端子４２ａａと、これに隣接する磁気センサユニットにおける端子４２ａｂとが電気的に接続されている。また、任意の磁気センサユニットにおける端子４２ｂａと、これに隣接する磁気センサユニットにおける端子４２ｂｂとが電気的に接続されている。ただし、電位源が接続される端子や、出力端子を構成する端子は上述の接続関係から除かれる。
【００５５】
すなわち、磁気センサモジュール４ａにおいて、磁気センサユニット４１ａにおける磁気センサ素子４２ａの第１端（端子４２ａａに相当）と、磁気センサユニット４１ａにおける磁気センサ素子４２ｂの第１端（端子４２ｂａに相当）とは、他の磁気センサユニットを介して電気的に接続され、閉回路が構成されている。当該閉回路はいわゆるハーフブリッジ回路である。当該ハーフブリッジ回路は、各磁気センサ素子の電圧降下を反映した電位をセンサ出力Ｏｕｔ１として出力することができるため、誘導磁界による各磁気センサ素子の特性変動を反映したセンサ出力Ｏｕｔ１を得ることができる。
【００５６】
電流センサ４の磁気センサモジュール４ｂにおいて、磁気センサ素子４２ａの感度軸は、同心円に沿って時計回りの方向を向いている。また、磁気センサ素子４２ｂの感度軸は、同心円に沿って反時計回りの方向を向いている。つまり、磁気センサモジュール４ａの磁気センサ素子４２ａの感度軸と磁気センサモジュール４ｂの磁気センサ素子４２ａの感度軸とは同じ向きになっている。磁気センサモジュール４ａの磁気センサ素子４２ｂの感度軸と磁気センサモジュール４ｂの磁気センサ素子４２ｂの感度軸とは同じ向きになっている。このように磁気センサ素子の感度軸を揃えることで、各磁気センサモジュールが受ける誘導磁界の磁束密度に差が生じることを防止できる。また、磁気センサユニットのパッケージ構成は一種類で済むため、製造コストを抑制できる。ただし、磁気センサ素子４２ａおよび４２ｂの感度軸の向きはこれに限定されない。
【００５７】
磁気センサモジュール４ｂにおいて、磁気センサユニット（第１磁気センサユニット）４１ｅにおける磁気センサ素子４２ａの第１端（不図示）は磁気センサユニット４１ｅの端子４２ａａと接続されており、端子４２ａａには、電源電位Ｖｄｄを与える電位源が接続されている。また、磁気センサユニット４１ｅにおける磁気センサ素子４２ｂの第１端（不図示）は磁気センサユニット４１ｅの端子４２ｂａと接続されており、端子４２ｂａには、接地電位ＧＮＤを与える電位源が接続されている。また、磁気センサユニット（最終磁気センサユニット）４１ｈにおける磁気センサ素子４２ａの第２端（不図示）は磁気センサユニット４１ｈの端子４２ａｂと接続されており、磁気センサ素子４２ｂの第２端（不図示）は磁気センサユニット４１ｈの端子４２ｂｂと接続されている。そして、磁気センサユニット４１ｈの端子４２ａｂと端子４２ｂｂとは電気的に接続され、センサ出力Ｏｕｔ２を出力する出力端子を構成している。
【００５８】
また、磁気センサモジュール４ｂにおいて、感度軸方向が時計回りの方向となる全ての磁気センサ素子４２ａは直列に接続されている。また、感度軸方向が反時計回りとなる全ての磁気センサ素子４２ｂは直列に接続されている。より具体的には、任意の磁気センサユニットにおける端子４２ａａと、これに隣接する磁気センサユニットにおける端子４２ａｂとが電気的に接続されている。また、任意の磁気センサユニットにおける端子４２ｂａと、これに隣接する磁気センサユニットにおける端子４２ｂｂとが電気的に接続されている。ただし、電位源が接続される端子や、出力端子を構成する端子は上述の接続関係から除かれる。
【００５９】
すなわち、磁気センサモジュール４ｂにおいて、磁気センサユニット４１ｅにおける磁気センサ素子４２ａの第１端（端子４２ａａに相当）と、磁気センサユニット４１ｅにおける磁気センサ素子４２ｂの第１端（端子４２ｂａに相当）とは、他の磁気センサユニットを介して電気的に接続され、閉回路が構成されている。当該閉回路はいわゆるハーフブリッジ回路である。当該ハーフブリッジ回路は、各磁気センサ素子の電圧降下を反映した電位をセンサ出力Ｏｕｔ２として出力することができるため、誘導磁界による各磁気センサ素子の特性変動を反映したセンサ出力Ｏｕｔ２を得ることができる。
【００６０】
図１２は、本実施の形態に係る電流センサ４の構成例を示す機能ブロック図である。電流センサ４の磁気センサモジュール４ａ、４ｂは、これらの出力を差動演算する差動アンプ５と接続されている。上述したように、電流センサ４において、磁気センサモジュール４ａは、感度軸が反時計回りになるよう配置された磁気センサ４２ｂの端子４２ｂａに電源電位Ｖｄｄを与える電位源が接続され、感度軸が時計回りになるよう配置された磁気センサ４２ａの端子４２ａａに接地電位ＧＮＤを与える電位源が接続されている。一方、磁気センサモジュール４ｂは、感度軸が時計回りになるよう配置された磁気センサ４２ａの端子４２ａａに電源電位Ｖｄｄを与える電位源が接続され、感度軸が反時計回りになるよう配置された磁気センサ４２ｂの端子４２ｂａに接地電位ＧＮＤを与える電位源が接続されている。このように、磁気センサモジュール４ａおよび磁気センサモジュール４ｂは、電位源と感度軸方向との関係が互いに逆になっているため、磁気センサモジュール４ａおよび磁気センサモジュール４ｂからは、出力の正負が略反転した関係にある出力Ｏｕｔ１および出力Ｏｕｔ２が得られる。差動アンプ５によって出力Ｏｕｔ１と、出力Ｏｕｔ２との差を演算することにより、被測定電流を精度良く算出できる。
【００６１】
本実施の形態に係る電流センサ４も、感度軸が同心円に沿って配置される第１磁気センサ素子および第２磁気センサ素子を有する複数の磁気センサユニットを備えているため、電流測定時において被測定電流が通流する電流線の周囲を囲んで誘導磁界を検出し、その測定値を用いて電流値を算出することができる。このような構成では、電流線に対する位置ずれにより一の磁気センサユニットに表れる影響を、同心円に沿って配置された他の磁気センサユニットによってキャンセルすることが可能である。このため、電流線への電流センサの取り付け精度が高くなくとも、高い精度の電流測定が可能になる。つまり、電流測定精度を高く維持すると共に、被測定電流が通流する電流線への取り付け精度が緩和された電流センサを提供することができる。
【００６２】
さらに、本実施の形態に係る電流センサ４は、ハーフブリッジ回路である２個の磁気センサモジュール４ａ、４ｂを組み合わせたフルブリッジ構造になっている。このため、各ハーフブリッジ回路を構成する磁気センサ素子および磁気センサユニットの個数を、実施の形態１に係るハーフブリッジ回路の１／２にできる。これにより、各ハーフブリッジ回路における電圧降下を約１／２に抑えることができるので、印加電圧を約１／２にしても適切な電流測定が可能である。
【００６３】
図１３および図１４は、本実施の形態に係る電流センサの変形例について示す模式図である。図１３Ａに示される電流センサ６は、平面視における正八角形の頂点に相当する位置に配置された磁気センサユニット６１ａ、６１ｂ、６１ｃを含む磁気センサモジュール６ａと、磁気センサユニット６１ｄ、６１ｅ、６１ｆ、６１ｇ、６１ｈを含む磁気センサモジュール６ｂとで構成されている。すなわち、磁気センサモジュール６ａを構成する磁気センサユニットの数は３個であり、磁気センサモジュール６ｂを構成する磁気センサユニットの数は５個であり、これらは異なっている。磁気センサモジュール６ａ、６ｂを構成する磁気センサユニットの数以外は電流センサ４と同様である。
【００６４】
この電流センサ６も、ハーフブリッジ回路である２個の磁気センサモジュール６ａ、６ｂを組み合わせたフルブリッジ構造になっている。このため、各ハーフブリッジ回路を構成する磁気センサ素子および磁気センサユニットの個数を、実施の形態１に係るハーフブリッジ回路と比較して削減できる。これにより、各ハーフブリッジ回路における電圧降下を小さくできるので、印加する電圧を小さくしても適切な電流測定が可能である。
【００６５】
図１３Ｂに示される電流センサ７は、平面視における正八角形の頂点に相当する位置に配置された磁気センサユニット７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、７１ｄを含む磁気センサモジュール７ａと、磁気センサユニット７１ｅ、７１ｆ、７１ｇ、７１ｈを含む磁気センサモジュール７ｂとで構成されている。電流センサ７においては、各磁気センサモジュールを構成する磁気センサユニットが交互に配置されている。より具体的には、各磁気センサは、同心円に沿って反時計回りに、磁気センサユニット７１ａ、７１ｈ、７１ｂ、７１ｇ、７１ｃ、７１ｆ、７１ｄ、７１ｅの順に配置されている。磁気センサモジュール７ａ、７ｂを構成する磁気センサユニットの配置以外は電流センサ４と同様である。
【００６６】
この電流センサ７も、ハーフブリッジ回路である２個の磁気センサモジュール７ａ、７ｂを組み合わせたフルブリッジ構造になっている。このため、各ハーフブリッジ回路を構成する磁気センサ素子および磁気センサユニットの個数を、実施の形態１に係るハーフブリッジ回路の１／２にできる。これにより、各ハーフブリッジ回路における電圧降下を約１／２に抑えることができるので、印加する電圧を約１／２にしても適切な電流測定が可能である。
【００６７】
図１４Ａに示される電流センサ８は、平面視における正八角形の頂点に相当する位置に配置された磁気センサユニット８１ａ、８１ｂを含む磁気センサモジュール８ａと、磁気センサユニット８１ｃ、８１ｄを含む磁気センサモジュール８ｂと、磁気センサユニット８１ｅ、８１ｆを含む磁気センサモジュール８ｃと、磁気センサユニット８１ｇ、８１ｈを含む磁気センサモジュール８ｄとで構成されている。すなわち、電流センサ８は、各２個の磁気センサユニットで構成される４個の磁気センサモジュールによって構成されている。
【００６８】
電流センサ８において、磁気センサ８２ａの感度軸は、同心円に沿って時計回りの方向を向いている。また、磁気センサ素子８２ｂの感度軸は、同心円に沿って反時計回りの方向を向いている。磁気センサモジュール８ａ、８ｄは、感度軸が反時計回りになるよう配置された磁気センサ８２ｂに電源電位Ｖｄｄを与える電位源が接続され、感度軸が時計回りになるよう配置された磁気センサ８２ａに接地電位ＧＮＤを与える電位源が接続されている。一方、磁気センサモジュール８ｂ、８ｃは、感度軸が時計回りになるよう配置された磁気センサ８２ａに電源電位Ｖｄｄを与える電位源が接続され、感度軸が反時計回りになるよう配置された磁気センサ８２ｂに接地電位ＧＮＤを与える電位源が接続されている。つまり、磁気センサモジュール８ａ、８ｂは、電位源と感度軸方向との関係が互いに逆になっている。また、磁気センサモジュール８ｃ、８ｄは、電位源と感度軸方向との関係が互いに逆になっている。また、磁気センサモジュール８ａ、８ｄは、電位源と感度軸方向との関係が等しくなっている。また、磁気センサモジュール８ｂ、８ｃは、電位源と感度軸方向との関係が等しくなっている。ただし、磁気センサ素子８２ａおよび８２ｂの感度軸の向きはこれに限定されない。
【００６９】
図１４Ｂは、本実施の形態に係る電流センサ８の構成例を示す機能ブロック図である。電流センサ８の磁気センサモジュール８ａ、８ｂは、これらの出力を差動演算する差動アンプ９ａと接続されている。電流センサ８の磁気センサモジュール８ｃ、８ｄは、これらの出力を差動演算する差動アンプ９ｂと接続されている。さらに、差動アンプ９ａ、９ｂは、これらの出力を差動演算する差動アンプ９ｃと接続されている。上述したように、電流センサ８において、磁気センサモジュール８ａ、８ｂは、電位源と感度軸方向との関係が互いに逆になっており、磁気センサモジュール８ｃ、８ｄは、電位源と感度軸方向との関係が互いに逆になっている。このため、磁気センサモジュール８ａおよび磁気センサモジュール８ｂからは、出力の正負が略反転した関係にある出力Ｏｕｔ１および出力Ｏｕｔ２が得られ、磁気センサモジュール８ｃおよび磁気センサモジュール８ｄからは、出力の正負が略反転した関係にある出力Ｏｕｔ３および出力Ｏｕｔ４が得られる。
【００７０】
また、磁気センサモジュール８ａ、８ｄは、電位源と感度軸方向との関係が等しくなっており、磁気センサモジュール８ｂ、８ｃは、電位源と感度軸方向との関係が等しくなっている。これにより、差動アンプ９ａによって演算される出力Ｏｕｔ１と出力Ｏｕｔ２との差と、差動アンプ９ｂによって演算される出力Ｏｕｔ３と出力Ｏｕｔ４との差とは、正負が略反転した関係になる。このため、差動アンプ９ｃによって出力Ｏｕｔ１と出力Ｏｕｔ２との差と、出力Ｏｕｔ３と出力Ｏｕｔ４との差とをさらに差動演算することにより、被測定電流を精度良く算出できる。
【００７１】
この電流センサ８は、磁気センサモジュール８ａ、８ｂによるフルブリッジ構造と、磁気センサモジュール８ｃ、８ｄによるフルブリッジ構造とを組み合わせて構成されている。このため、ハーフブリッジ回路である各磁気センサモジュールを構成する磁気センサ素子および磁気センサユニットの個数を、実施の形態１に係るハーフブリッジ回路の１／４にできる。これにより、各ハーフブリッジ回路における電圧降下を約１／４に抑えることができるので、印加する電圧を約１／４にしても適切な電流測定が可能である。
【００７２】
本実施の形態に係る構成は、他の実施の形態に係る構成と適宜組み合わせて実施することができる。
【００７３】
以上のように、本発明の電流センサでは、感度軸が同心円に沿って配置される第１磁気センサ素子および第２磁気センサ素子を有する複数の磁気センサユニットを備えているため、電流測定時において被測定電流が通流する電流線の周囲を囲んで誘導磁界を検出し、その測定値を用いて電流値を算出することができる。このような構成では、電流線に対する位置ずれにより一の磁気センサユニットに表れる影響を、同心円に沿って配置された他の磁気センサユニットによってキャンセルすることが可能である。このため、電流線への電流センサの取り付け精度が高くなくとも、高い精度の電流測定が可能になる。つまり、電流測定精度を高く維持すると共に、被測定電流が通流する電流線への取り付け精度が緩和された電流センサを提供することができる。
【００７４】
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、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適宜変更することが可能である。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。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明の電流センサは、取り付け精度に対する要求が緩和されているため、例えば、電流線に対して任意に取り付け可能な汎用の電流センサとして用いることが可能である。【００７６】
本出願は、２０１０年１２月２日出願の特願２０１０−２６９１７５に基づく。この内容は、全てここに含めておく。
【図１】
2012073732.tif 000004
【図２】
2012073732.tif 000005
【図３】
2012073732.tif 000006
【図４】
2012073732.tif 000007
【図５】
2012073732.tif 000008
【図６】
2012073732.tif 000009
【図７】
2012073732.tif 000010
【図８】
2012073732.tif 000011
【図９】
2012073732.tif 000012
【図１０】
2012073732.tif 000013
【図１１】
2012073732.tif 000014
【図１２】
2012073732.tif 000015
【図１３】
2012073732.tif 000016
【図１４】
2012073732.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】平成24年3月19日(2012.3.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１磁気センサ素子と第２磁気センサ素子とをそれぞれ有する複数の磁気センサユニットを有し、前記複数の磁気センサユニットが接続されてなる磁気センサモジュールを備え、
前記磁気センサユニットは、前記第１磁気センサ素子の一端に接続される第１端と、前記第１磁気センサ素子の他端に接続される第２端と、前記第２磁気センサ素子の一端に接続される第３端と、第２磁気センサ素子の他端に接続される第４端とを有し、
前記磁気センサモジュールの一端である第１磁気センサユニットの前記第１端は第１電位源が接続され、
前記第１磁気センサユニットの前記第３端は第２電位源が接続され、
前記磁気センサモジュールの他端である最終磁気センサユニットの前記第２端と前記第４端とは接続されてセンサ出力端となり、
第１磁気センサユニットを除く前記磁気センサユニットの前記第１端は前記第１磁気センサユニット側に隣接する磁気センサユニットの前記第２端と接続され、前記第３端は前記第１磁気センサユニット側に隣接する磁気センサユニットの前記第４端と接続され、
前記複数の第１磁気センサ素子は電気的に直列に接続され、且つ、前記複数の第２磁気センサ素子は電気的に直列に接続され、
前記第１磁気センサ素子と前記第２磁気センサ素子とは互いに感度軸が逆向きであり、
前記複数の第１磁気センサ素子の前記感度軸と、前記複数の第２磁気センサ素子の前記感度軸とが同心円に沿って配置されたことを特徴とする電流センサ。
【請求項２】
前記同心円の中心から等角度間隔に配置された前記複数の磁気センサユニットを有する一つの前記磁気センサモジュールを備えたことを特徴とする請求項１記載の電流センサ。
【請求項３】
前記磁気センサモジュールは４個以上の磁気センサユニットを含むことを特徴とする請求項２に記載の電流センサ。
【請求項４】
前記磁気センサモジュールは偶数個の磁気センサユニットを含むことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の電流センサ。
【請求項５】
前記同心円の中心から等角度間隔に配置された前記複数の磁気センサユニットを有する複数の前記磁気センサモジュールを備えたことを特徴とする請求項１記載の電流センサ。
【請求項６】
前記複数の磁気センサモジュールは合計で４個以上の磁気センサユニットを含むことを特徴とする請求項５に記載の電流センサ。
【請求項７】
前記複数の磁気センサモジュールは合計で偶数個の磁気センサユニットを含むことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の電流センサ。
【請求項８】
前記複数の磁気センサユニットは同一円上に配置されたことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の電流センサ。
【請求項９】
前記磁気センサユニットにおいて、第１磁気センサ素子と第２磁気センサ素子との感度の絶対値は略等しい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。
【請求項１０】
前記磁気センサユニットは、同一基板に設けられた第１磁気センサ素子と第２磁気センサ素子とを含むことにより、一チップで構成された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。
【請求項１１】
前記第１磁気センサ素子および前記第２磁気センサ素子として、ＧＭＲ素子を用いることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれかに記載の電流センサ。
【請求項１２】
前記同心円の中心に、被測定電流が通流する電流線が配置されることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれかに記載の電流センサ。
【手続補正書】
【提出日】平成25年5月23日(2013.5.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２８】
図３および図４は、磁気センサ素子１２ａおよび磁気センサ素子１２ｂとして用いられる感度軸が逆向きの（１８０°異なる）磁気抵抗効果素子の製造方法を説明するための断面模式図である。まず、図３Ａに示される基板４１上に、シード層４２Ａ、第１の強磁性膜４３Ａ、反平行結合膜４４Ａ、第２の強磁性膜４５Ａ、非磁性中間層４６Ａ、軟磁性自由層（フリー磁性層）４７Ａ，４８Ａ、および保護層４９Ａを順次形成する。第１の強磁性膜４３Ａおよび第２の強磁性膜４５Ａの成膜中には、磁気抵抗効果素子におけるミアンダ形状のストライプ幅方向に磁場を印加する。図３において、第１の強磁性膜４３Ａについては、印加する磁場の方向は紙面奥側から手前側に向かう方向であり、第２の強磁性膜４５Ａについては、印加する磁場の方向は紙面手前側から奥側に向かう方向である。また、軟磁性自由層（フリー磁性層）４７Ａ，４８Ａの成膜中には、磁気抵抗効果素子におけるミアンダ形状のストライプ長手方向に磁場を印加する。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
次いで、図３Ｂに示されるように、保護層４９Ａ上にレジスト材料を堆積し、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、一方の磁気抵抗効果素子が形成される領域上にレジスト層５１を形成する。次いで、図３Ｃに示されるように、イオンミリングなどの方法を用い、露出している積層膜を除去して、他方の磁気抵抗効果素子が形成される領域の基板４１を露出させる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
次いで、図４Ａに示されるように、露出した基板４１上に、シード層４２Ｂ、第１の強磁性膜４３Ｂ、反平行結合膜４４Ｂ、第２の強磁性膜４５Ｂ、非磁性中間層４６Ｂ、軟磁性自由層（フリー磁性層）４７Ｂ，４８Ｂ、および保護層４９Ｂを順次形成する。第１の強磁性膜４３Ｂおよび第２の強磁性膜４５Ｂの成膜中には、磁気抵抗効果素子におけるミアンダ形状のストライプ幅方向に磁場を印加する。図４において、第１の強磁性膜４３Ｂについては、印加する磁場の方向は紙面手前側から奥側に向かう方向であり、第２の強磁性膜４５Ｂについては、印加する磁場の方向は紙面奥側から手前側に向かう方向である。また、軟磁性自由層（フリー磁性層）４７Ｂ，４８Ｂの成膜中には、磁気抵抗効果素子におけるミアンダ形状のストライプ長手方向に磁場を印加する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
次いで、図４Ｂに示されるように、保護層４９Ａ，４９Ｂ上にレジスト材料を堆積し、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、磁気抵抗効果素子の形成領域上にレジスト層５２を形成する。次いで、図４Ｃに示されるように、イオンミリングなどの方法を用い、露出している積層膜を除去して、磁気抵抗効果素子３１ａ、３１ｂを形成する。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３７】
また、各磁気センサユニットは、任意の磁気センサユニットと電流センサ１の軸Ａとの間隔が略一定になるように配置されることが望ましい。これにより、向かい合う磁気センサユニットによる位置ずれの影響の緩和が適切に行われる。ただし、厳密に一定の間隔である必要はない。同様の観点から、複数の磁気センサユニットが略正多角形状、または略同心円状に配置されることが望ましい。ただし、厳密に正多角形状、同心円状である必要はない。また、複数の磁気センサユニットが互いに略等間隔に配置されることが望ましい。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４２】
図９Ａに示されるような状態では、通常、電流線３を通流する電流の影響が大きな問題となる。一方、本実施の形態における電流センサ１では、磁気センサユニットの数や配置によって程度の差はあるが、隣接する電流線３の影響を低減できている。これは、磁気センサユニット内の感度軸が逆向きの一対の磁気センサ素子と、複数の磁気センサユニットとによって、電流線３からの影響をキャンセルすることができるためである。なお、上記表からも分かるように、磁気センサユニットの数を多くすることにより、隣接する電流線３の影響をより低減することが可能である。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６０】
図１２は、本実施の形態に係る電流センサ４の構成例を示す機能ブロック図である。電流センサ４の磁気センサモジュール４ａ、４ｂは、これらの出力を差動演算する差動アンプ５と接続されている。上述したように、電流センサ４において、磁気センサモジュール４ａは、感度軸が反時計回りになるよう配置された磁気センサ素子４２ｂの端子４２ｂａに電源電位Ｖｄｄを与える電位源が接続され、感度軸が時計回りになるよう配置された磁気センサ素子４２ａの端子４２ａａに接地電位ＧＮＤを与える電位源が接続されている。一方、磁気センサモジュール４ｂは、感度軸が時計回りになるよう配置された磁気センサ素子４２ａの端子４２ａａに電源電位Ｖｄｄを与える電位源が接続され、感度軸が反時計回りになるよう配置された磁気センサ素子４２ｂの端子４２ｂａに接地電位ＧＮＤを与える電位源が接続されている。このように、磁気センサモジュール４ａおよび磁気センサモジュール４ｂは、電位源と感度軸方向との関係が互いに逆になっているため、磁気センサモジュール４ａおよび磁気センサモジュール４ｂからは、出力の正負が略反転した関係にある出力Ｏｕｔ１および出力Ｏｕｔ２が得られる。差動アンプ５によって出力Ｏｕｔ１と、出力Ｏｕｔ２との差を演算することにより、被測定電流を精度良く算出できる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６５】
図１３Ｂに示される電流センサ７は、平面視における正八角形の頂点に相当する位置に配置された磁気センサユニット７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、７１ｄを含む磁気センサモジュール７ａと、磁気センサユニット７１ｅ、７１ｆ、７１ｇ、７１ｈを含む磁気センサモジュール７ｂとで構成されている。電流センサ７においては、各磁気センサモジュールを構成する磁気センサユニットが交互に配置されている。より具体的には、各磁気センサユニットは、同心円に沿って反時計回りに、磁気センサユニット７１ａ、７１ｈ、７１ｂ、７１ｇ、７１ｃ、７１ｆ、７１ｄ、７１ｅの順に配置されている。磁気センサモジュール７ａ、７ｂを構成する磁気センサユニットの配置以外は電流センサ４と同様である。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６８】
電流センサ８において、磁気センサ素子８２ａの感度軸は、同心円に沿って時計回りの方向を向いている。また、磁気センサ素子８２ｂの感度軸は、同心円に沿って反時計回りの方向を向いている。磁気センサモジュール８ａ、８ｄは、感度軸が反時計回りになるよう配置された磁気センサ素子８２ｂに電源電位Ｖｄｄを与える電位源が接続され、感度軸が時計回りになるよう配置された磁気センサ素子８２ａに接地電位ＧＮＤを与える電位源が接続されている。一方、磁気センサモジュール８ｂ、８ｃは、感度軸が時計回りになるよう配置された磁気センサ素子８２ａに電源電位Ｖｄｄを与える電位源が接続され、感度軸が反時計回りになるよう配置された磁気センサ素子８２ｂに接地電位ＧＮＤを与える電位源が接続されている。つまり、磁気センサモジュール８ａ、８ｂは、電位源と感度軸方向との関係が互いに逆になっている。また、磁気センサモジュール８ｃ、８ｄは、電位源と感度軸方向との関係が互いに逆になっている。また、磁気センサモジュール８ａ、８ｄは、電位源と感度軸方向との関係が等しくなっている。また、磁気センサモジュール８ｂ、８ｃは、電位源と感度軸方向との関係が等しくなっている。ただし、磁気センサ素子８２ａおよび８２ｂの感度軸の向きはこれに限定されない。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６９】
図１４Ｂは、変形例に係る電流センサ８の構成例を示す機能ブロック図である。電流センサ８の磁気センサモジュール８ａ、８ｂは、これらの出力を差動演算する差動アンプ９ａと接続されている。電流センサ８の磁気センサモジュール８ｃ、８ｄは、これらの出力を差動演算する差動アンプ９ｂと接続されている。さらに、差動アンプ９ａ、９ｂは、これらの出力を差動演算する差動アンプ９ｃと接続されている。上述したように、電流センサ８において、磁気センサモジュール８ａ、８ｂは、電位源と感度軸方向との関係が互いに逆になっており、磁気センサモジュール８ｃ、８ｄは、電位源と感度軸方向との関係が互いに逆になっている。このため、磁気センサモジュール８ａおよび磁気センサモジュール８ｂからは、出力の正負が略反転した関係にある出力Ｏｕｔ１および出力Ｏｕｔ２が得られ、磁気センサモジュール８ｃおよび磁気センサモジュール８ｄからは、出力の正負が略反転した関係にある出力Ｏｕｔ３および出力Ｏｕｔ４が得られる。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７３】
以上のように、第２の実施の形態の電流センサでは、感度軸が同心円に沿って配置される第１磁気センサ素子および第２磁気センサ素子を有する複数の磁気センサユニットを備えているため、電流測定時において被測定電流が通流する電流線の周囲を囲んで誘導磁界を検出し、その測定値を用いて電流値を算出することができる。このような構成では、電流線に対する位置ずれにより一の磁気センサユニットに表れる影響を、同心円に沿って配置された他の磁気センサユニットによってキャンセルすることが可能である。このため、電流線への電流センサの取り付け精度が高くなくとも、高い精度の電流測定が可能になる。つまり、電流測定精度を高く維持すると共に、被測定電流が通流する電流線への取り付け精度が緩和された電流センサを提供することができる。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
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【手続補正１３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
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【国際調査報告】
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2012073732.tif 000021
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