(57)【要約】  広い測定範囲にわたって高精度に測定可能であり、しかも省スペース化を図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。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と、前記磁気検出素子の近傍において互いに直列に接続されて配置され、フィードバック電流が流れることにより前記誘導磁界を相殺するキャンセル磁界を発生する複数のコイル（１１１ａ，１１１ｂ）と、前記複数のコイル（１１１ａ，１１１ｂ）の中から前記フィードバック電流の入力端子及び／又は出力端子と電気的に接続するコイルを選択し、前記フィードバック電流を流すコイルを制御するスイッチ回路（１２５）とを設ける。
2012011306.tif 000002
【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特性が変化する磁気検出素子と、
前記磁気検出素子の近傍において互いに直列に接続されて配置され、フィードバック電流が流れることにより前記誘導磁界を相殺するキャンセル磁界を発生する複数のコイルと、
前記複数のコイルの中から前記フィードバック電流の入力端子及び／又は出力端子と電気的に接続するコイルを選択し、前記フィードバック電流を流すコイルを制御するスイッチ回路と、を有する電流センサ。
【請求項２】
前記被測定電流の値に基づいて、前記スイッチ回路が選択するコイルを制御するスイッチ回路制御部をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
【請求項３】
各コイルの出力部と前記出力端子との間にそれぞれ出力側スイッチが設けられており、前記スイッチ回路が前記出力側スイッチを切り替え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。
【請求項４】
各コイルの入力部と前記入力端子との間にそれぞれ入力側スイッチが設けられており、前記スイッチ回路が前記入力側スイッチを切り替え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。
【請求項５】
前記スイッチ回路は、スイッチを切り替える際に切り替え前のスイッチ及び切り替え後のスイッチの双方をオン状態とした後に、前記切り替え前のスイッチをオフ状態とすることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の電流センサ。
【請求項６】
前記複数のコイルが、前記磁気検出素子の一方の面上に配置されたコイルにおいて前記コイルの途中部分から端子を取り出すことにより形成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の電流センサ。
【請求項７】
前記複数のコイルが、前記磁気検出素子の上下にそれぞれ設けられたコイルを直列に接続して形成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の電流センサ。
【請求項８】
前記磁気検出素子が磁気抵抗効果素子である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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広い測定範囲にわたって高精度で電流検出可能な電流センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車においては、エンジンで発電した電気を用いてモータを駆動しており、このモータ駆動用の電流の大きさは、例えば電流センサにより検出される。この電流センサとしては、磁気比例式電流センサと、磁気平衡式電流センサとがある。磁気比例式電流センサにおいては、磁性体コアの中に生じた磁力線によりコアギャップに被測定電流に比例した磁界が通り、磁気検出素子がこの磁界を電圧信号に変換して、被測定電流に比例した出力電圧を発生する。一方、磁気平衡式電流センサにおいては、被測定電流が流れると、電流に応じた磁界により磁気検出素子に出力電圧が生じ、この磁気検出素子から出力された電圧信号が電流に変換されてフィードバックコイルにフィードバックされ、このフィードバックコイルにより発生する磁界（キャンセル磁界）と被測定電流により生じる磁界とが打ち消しあって磁界が常に０になるように動作し、このときフィードバックコイルに流れるフィードバック電流を電圧変換させて出力として取り出す。【０００３】
ＧＭＲ（Giant  Magneto  Resistance）素子を用いた磁気平衡式電流センサは、磁気比例式電流センサよりも構成が複雑ではあるが、広い測定レンジで被測定電流を測定することができる。しかし、その精度は測定レンジで均一であり、また一般的にフィードバックコイルのターン数は固定され用途に応じて測定レンジや消費電流を考慮して最適なターン数を選択して使用する必要があるため、定格状態の大電流と同時にシステムのスリープ電流等の微小電流の測定を高精度で行うことは困難である。一方で、磁気比例式電流センサでは、測定レンジを狭く設定することにより高精度で微小電流の測定を行うことが可能であるが、被測定電流が大きい場合の測定も行うことを想定するとＧＭＲ素子が飽和しないように測定レンジを広げる必要がある。しかし、測定レンジを広げる場合には、被測定電流が小さいときの分解能が低下し、微小電流の測定を高精度で行うことは困難である。【０００４】
このような問題に対して、広い検出範囲にわたって高精度の電流検出を行うために、ホール素子を用いた磁気比例式電流センサとホール素子を用いた磁気平衡式電流センサを配置して、被測定電流の大小に応じてこれらを切り替えて用いる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−７８４１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示された技術では、２種類の電流センサを別々に用意しなければならない。このため、省スペース化、低コスト化が図れず、また、製造プロセスも複雑になる。さらに、特許文献１に開示された技術では、被測定電流が大きい場合には、使用しない磁気平衡式電流センサ内での磁気平衡が崩れるために、磁気検出素子としてＧＭＲ素子を用いた場合に磁気飽和を起こしてしまう。このため、特許文献１に開示された技術では、磁気検出素子によっては、広い測定範囲にわたって高精度に測定することが困難となる。【０００７】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、広い測定範囲にわたって高精度に測定可能であり、しかも省スペース化を図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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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特性が変化する磁気検出素子と、磁気検出素子の近傍において互いに直列に接続されて配置され、フィードバック電流が流れることにより誘導磁界を相殺するキャンセル磁界を発生する複数のコイルと、複数のコイルの中からフィードバック電流の入力端子及び／又は出力端子と電気的に接続するコイルを選択し、フィードバック電流を流すコイルを制御するスイッチ回路とを有している。【０００９】
この構成によれば、単一の電流センサにおいてフィードバック電流を流すコイルの数（ターン数）を切り替えることにより、コイル電流（フィードバック電流）と発生磁場（キャンセル磁場）の関係比率を制御することができる。このため、被測定電流値に応じて測定モードを制御することにより、広い測定範囲にわたって高精度の測定と低消費電力を図ることが可能であり、しかも省スペース化を図ることができる。【００１０】
本発明の電流センサにおいては、被測定電流の値に基づいて、スイッチ回路が選択するコイルを制御するスイッチ回路制御部をさらに有することが好ましい。【００１１】
本発明の電流センサにおいては、各コイルの出力部と出力端子との間にそれぞれ出力側スイッチが設けられており、スイッチ回路が出力側スイッチを切り替えることが好ましい。【００１２】
本発明の電流センサにおいては、各コイルの入力部と入力端子との間にそれぞれ入力側スイッチが設けられており、スイッチ回路が入力側スイッチを切り替えることが好ましい。【００１３】
本発明の電流センサにおいては、スイッチ回路は、スイッチを切り替える際に切り替え前のスイッチ及び切り替え後のスイッチの双方をオン状態とした後に、切り替え前のスイッチをオフ状態とすることが好ましい。【００１４】
本発明の電流センサにおいては、複数のコイルが、磁気検出素子の一方の面上に配置されたコイルにおいてコイルの途中部分から端子を取り出すことにより形成されていることが好ましい。【００１５】
本発明の電流センサにおいては、複数のコイルが、磁気検出素子の上下にそれぞれ設けられたコイルを直列に接続して形成されていることが好ましい。【００１６】
本発明の電流センサにおいては、磁気検出素子が磁気抵抗効果素子であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の電流センサによれば、磁気平衡コイル（フィードバックコイル）を２つ以上の複数に分割して設け、被測定電流の値に応じて組み合わせて使用することにより、コイル電流と発生磁場の関係比率を制御し、広い測定範囲にわたって高精度の測定と低消費電力を図ることが可能であり、しかも省スペース化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態１に係る電流センサの一例を示す図である。
【図２】磁気検出素子と複数のコイルの位置関係を説明する図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る電流センサの一例を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る電流センサの一例を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る電流センサにおけるコイル電流と発生磁場の関係を説明する図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係る電流センサの一例を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態２に係る電流センサにおける測定電流と差動アンプ出力の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
上述したように、ＧＭＲ素子を用いた磁気平衡式電流センサは、磁気比例式電流センサよりも構成が複雑ではあるが、広い測定レンジで被測定電流を測定することができる。しかし、その精度は測定レンジで均一であり、一般的にフィードバックコイルのターン数は固定され用途に応じて測定レンジや消費電流を考慮して最適なターン数を選択して使用する必要があるため、定格状態の大電流と同時にシステムのスリープ電流等の微小電流の測定を高精度で行うことは困難である。微小電流の測定を高精度で行う方法として、コイルのターン数を小さくしてコイル電流（フィードバック電流）と発生磁場（キャンセル磁場）の関係比率を小さくすることが考えられるが、用途が限定されてしまう問題や、被測定電流がある程度大きい場合にはコイルに流れる電流が大きくなり消費電力が増大してしまう問題等がある。
【００２０】
本発明者らは上記の点に着目し、磁気平衡式電流センサにおいて、磁気平衡コイル（フィードバックコイル）を２つ以上の複数に分割して設け、被測定電流の値に応じて組み合わせて使用することにより、コイル電流と発生磁場の関係比率を制御することができることを見出し本発明に至った。特に、被測定電流が微小電流である場合にはコイル電流と発生磁場の関係比率を下げて高精度に測定し、被測定電流が所定値以上である場合にはコイル電流と発生磁場の関係比率を上げて電流値が小さくなるように設定することにより、単一の電流センサで被測定電流に応じて高精度な測定と低消費電力での測定とを切り替えて行うことが可能となる。
【００２１】
また、ＧＭＲ素子を用いた磁気比例式電流センサは、少ない消費電力で比較的小さな被測定電流を高精度に測定することができるが、被測定電流が大きい場合に、その磁場によりＧＭＲ素子が磁気飽和してその後の出力値がずれてしまうため利用できず、被測定電流の測定レンジが狭いものとなってしまう問題がある。一方で、測定レンジを広げると被測定電流が小さいときに分解能が落ちてしまい、微小電流の測定を高精度で行うことは困難となる。
【００２２】
本発明者らは上記の点に着目し、磁気比例式電流センサにおいて、被測定電流からの誘導磁界を減少させる磁界を発生するコイルを２つ以上の複数に分割して設け、複数のコイルを被測定電流の値に応じて組み合わせて使用することにより、被測定電流の大きさが変化する場合であってもＧＭＲ素子が磁気飽和することを抑制し、所定の測定レンジで被測定電流の測定を高精度に行うことができることを見出した。
【００２３】
以下、本発明の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。なお、以下の説明においては、実施の形態１で磁気平衡式電流センサについて説明し、実施の形態２で磁気比例式電流センサについて説明する。
【００２４】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る磁気平衡式電流センサを示す図である。本実施の形態においては、図１に示す電流センサ１０は、被測定電流が流れる電流線の近傍に配設される。電流センサ１０は、センサ部１１と、制御部１２とから主に構成されている。
【００２５】
センサ部１１は、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となるよう配置された複数のコイル１１１ａ、１１１ｂ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１１２とから構成されている。複数のコイル１１１ａ、１１１ｂは、互いに直列に接続されて配置される。なお、図１では、直列接続したコイルを２つ設ける場合を示したが、３つ以上のコイルを直列に接続して設けてもよい。
【００２６】
制御部１２は、ブリッジ回路１１２の差動出力を増幅する差動アンプ１２１と、コイルに流れるフィードバック電流を制御する電流アンプ１２４と、複数のコイルの中でフィードバック電流を流すコイルを制御するスイッチ回路１２５と、フィードバック電流を電圧に変換するＩ／Ｖアンプ１２２と、スイッチ回路１２５のスイッチ動作を制御するスイッチ回路制御部１２３とを含む。
【００２７】
コイル１１１ａ、１１１ｂは、ブリッジ回路１１２の磁気抵抗効果素子の近傍において互いに直列に接続されて配置されており、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。直列接続した複数のコイルの配置としては、磁気検出素子の一方の面側に複数のコイルを配置してもよいし（図２Ａ、図２Ｂ参照）、磁気検出素子の上下にそれぞれコイルを配置して直列に接続して設けてもよい（図２Ｃ参照）。例えば、磁気検出素子の一方の面側に複数のコイルを設ける構成としては、気検出素子の一方の面上に配置されたコイルにおいて、コイルの途中部分（例えば、コイルの巻き線の中点）から端子を取り出すことにより直列接続された複数のコイルとすることができる。具体的には、ターン数が２０であるコイルにおいて、中点（ターン数が１０の途中部分）から端子を取り出すことができる。
【００２８】
ブリッジ回路１１２は、ＧＭＲ（Giant  Magneto  Resistance）素子やＴＭＲ（Tunnel  Magneto  Resistance）素子などの磁気抵抗効果素子で形成することができる。磁気抵抗効果素子は、被測定電流からの誘導磁界の印加により抵抗値が変化する。２つの磁気抵抗効果素子と２つの固定抵抗素子によりブリッジ回路１１２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。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、平面コイルを使用することが可能となる。
【００２９】
また、ブリッジ回路１１２は、被測定電流により生じた誘導磁界に応じた電圧差を生じる２つの出力を備える。ブリッジ回路１１２の２つの出力は差動アンプ１２１で増幅される。増幅された出力は電流アンプ１２４によりコイル１１１ａ及び／又はコイル１１１ｂに電流（フィードバック電流）として与えられる。このフィードバック電流は、誘導磁界に応じた電圧差に対応する。このとき、コイル１１１ａ及び／又はコイル１１１ｂには、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のコイル１１１ａ及び／又はコイル１１１ｂに流れる電流がＩ／Ｖアンプ１２２で電圧に変換され、この電圧とスイッチ回路１２５のスイッチング状態に基づいてセンサ出力が決定される。
【００３０】
なお、ここではブリッジ回路１１２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１１２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フィードバック電流としてもよい。
【００３１】
スイッチ回路１２５は、複数のコイル（ここでは、コイル１１１ａ、１１１ｂ）の中からフィードバック電流を流すコイルを選択する。具体的には、コイル１１１ａ、１１１ｂの出力部と、フィードバック電流が出力する出力端子（図１では、Ｉ／Ｖアンプ１２２）との間にそれぞれ出力側スイッチ（ここでは、スイッチ１１３ａ、１１３ｂ）を設け、スイッチのオン／オフを制御する。
【００３２】
例えば、図１において、コイル１１１ａの出力部とフィードバック電流の出力端子の間のスイッチ１１３ａがオンで、コイル１１１ｂの出力部とフィードバック電流の出力端子の間のスイッチ１１３ｂがオフである場合には、コイル１１１ａだけにフィードバック電流が流れる。一方で、コイル１１１ａの出力部とフィードバック電流の出力端子の間のスイッチ１１３ａがオフで、コイル１１１ｂの出力部とフィードバック電流の出力端子の間のスイッチ１１３ｂがオンである場合には、コイル１１１ａとコイル１１１ｂの双方にフィードバック電流が流れる。
【００３３】
このように、直列に接続された各コイルの出力部と、フィードバック電流の出力端子との間にスイッチを設けてスイッチング状態を制御することにより、フィードバック電流を流すコイルの数（コイルのターン数）を切り替えて、コイル電流と発生磁場の関係比率を制御することができる。スイッチとしては、オン／オフが制御できるものであればよく、例えば、ＦＥＴ等のスイッチング素子でスイッチを形成することができる。また、スイッチをＦＥＴ等で設ける場合には、回路にオン抵抗分の抵抗が付加されて電圧が変化することがあるが、本実施の形態で示す電流センサは、コイルに流れる電流をセンサの出力として検出するものであるため、スイッチを設けてもセンサ出力に影響を及ぼさずに測定することが可能となる。なお、スイッチ回路１２５におけるスイッチの切り替えは様々な観点から制御でき、例えば、被測定電流の値に基づいて行うことができる。
【００３４】
スイッチ回路制御部１２３は、被測定電流値等に基づいてスイッチ回路１２５のスイッチングを制御し、フィードバック電流を流すコイルの切り替えを制御する。例えば、図１において、被測定電流値が所定の値（閾値）未満である場合に、複数のコイルの中でコイル１１１ａだけにフィードバック電流が流れる構成となるようにスイッチの切り替えを制御し（スイッチ１１３ａがオン、スイッチ１１３ｂがオフ）、コイル電流と発生磁場の関係比率を小さくして（同じコイル電流に対応する発生磁場を低減して）高い精度で電流測定を行うモード（高精度測定モード）に切り替える。一方で、被測定電流値が閾値以上である場合に、コイル１１１ａとコイル１１１ｂの双方にフィードバック電流が流れるようにスイッチの切り替えを制御し（スイッチ１１３ａがオフ、スイッチ１１３ｂがオン）、コイル電流と発生磁場の関係比率を大きくして（同じコイル電流に対応する発生磁場を増加して）低い消費電力で電流測定を行うモード（低消費電力測定モード）に切り替える。これにより、被測定電流値に応じて測定モードを制御することができるため、広い測定範囲にわたって高精度の測定と低消費電力を図ることが可能となる。
【００３５】
なお、図１では、スイッチ回路１２５として、コイル１１１ａ、１１１ｂの出力部と、フィードバック電流の出力端子（図１では、Ｉ／Ｖアンプ１２２）との間にそれぞれスイッチを設ける構成とする場合について示したが、スイッチを設ける位置はこれに限られない。図３に示すように、スイッチ回路１２５として、コイル１１１ａ、１１１ｂの入力部と、フィードバック電流が入力する入力端子（図１では、電流アンプ１２４）との間にそれぞれ入力側スイッチ（ここでは、スイッチ１１４ａ、１１４ｂ）を設ける構成としてもよい。
【００３６】
また、図４に示すように、コイル１１１ａ〜１１１ｃの出力部と、フィードバック電流の出力端子（図１では、Ｉ／Ｖアンプ１２２）との間、及び、コイル１１１ａ〜１１１ｃの入力部と、フィードバック電流の入力端子（図１では、電流アンプ１２４）との間にそれぞれスイッチ１１３ａ〜１１３ｃ、１１４ａ〜１１４ｃを設ける構成としてもよい。図４に示すようにフィードバック電流の入力端子と出力端子の双方にスイッチ回路１２５ａ、１２５ｂを設けることにより、フィードバック電流を流すコイルの組み合わせを自由に設定することが可能となる。図１（又は図３）に示す電流センサにおいては、フィードバック電流の入力端子（又は出力端子）と接続されるコイルＡ（又はコイルＢ）には必ずフィードバック電流が流れる構成となるが、図４に示す電流センサにおいては、フィードバック電流を流すコイルを詳細に制御することができる。特に、設けるコイルの数を多くする場合には図４に示す構成とすることにより、コイル電流と発生磁場の関係比率を詳細に設定することができる。
【００３７】
また、上記図１、図３、図４に示したスイッチ回路においてスイッチを切り替える際に、全てのスイッチがオフとなる状態（同時切断）を避ける構成とすることが好ましい。全てのスイッチがオフ状態となった場合には、コイルからフィードバック磁界を発生させることができず、磁気検出素子に大きい誘導磁界が加わってしまうためである。
【００３８】
例えば、図１に示すスイッチ回路１２５において、コイル１１１ａの出力部とフィードバック電流の出力端子の間のスイッチ１１３ａがオン且つコイル１１１ｂの出力部とフィードバック電流の出力端子の間のスイッチ１１３ｂがオフである状態から、スイッチ１１３ａがオフ且つスイッチ１１３ｂがオンとする場合には、スイッチ１１３ｂをオン（スイッチ１１３ａ、１１３ｂの双方がオン状態）とした後に、スイッチ１１３ａをオフとする。これにより、スイッチ回路１２５において全てのスイッチがオフとなる状態（同時切断）を避け、ＧＭＲ素子に大きい磁界が加わることを抑制することができる。
【００３９】
また、スイッチ回路制御部１２３は、外部信号によりスイッチ回路１２５のスイッチの切り替えを制御する構成としてもよい。これにより、スリープモードなど、ユーザが省電力化したいタイミングで、フィードバック電流を多くのコイルに流れるようにスイッチを切り替えることにより電流センサの消費電力を抑えることができる。この場合においては、モード信号が外部からスイッチ回路制御部１２３に入力される（モード入力）。この際、ＧＭＲ素子が磁気飽和するような被測定電流であった場合には、実際にはモードを切り替えないような保護機能を用意しておくことが望ましい。
【００４０】
また、スイッチ回路制御部１２３は、自動的にモード切り替えを行う場合には、どちらのモードで被測定電流を測定しているかの情報（高精度測定モード又は省電力測定モードであることを示す信号）を外部に出力するように構成しても良い。これにより、電流センサが現在どのモードであるかを確認することができる。この場合においては、スイッチ回路制御部１２３が外部モニタに接続可能に構成される。なお、スイッチ回路制御部１２３において自動的にモード切り替えを行う場合には、上述したように被測定電流に対して閾値判定を行い、その結果に基づいてモード切り替えを行っても良く、電流センサが装着されている機器からの情報に基づいてモード切り替えを行っても良い。
【００４１】
ここで、実施の形態１に係る電流センサを用いてフィードバック電流を流すコイルの数を切り替える例について説明する。図５にＧＭＲ素子を用いた場合のコイル電流（フィードバック電流）と発生磁場（キャンセル磁場）の関係を示す。図５は、コイルのターン数が１０ターンであるコイルＡにフィードバック電流を流した場合と、コイルＡ及びコイルのターン数が１０ターンであるコイルＢを直列に接続して双方にフィードバック電流を流した場合のコイル電流と発生磁場の関係を示している。
【００４２】
図５に示すように、フィードバック電流を流すコイルの数を減らす（コイルのターン数を小さくする）場合には、コイル電流と発生磁場の関係比率が小さくなり、同じコイル電流に対応する発生磁場が小さくなる。つまり、コイルＡだけにフィードバック電流を流す方がコイル電流と発生磁場の関係比率が小さくなり、測定レンジが小さくなるのと同時により高精度に１次電流を測定することが可能となる。一方で、コイルＡとコイルＢの双方にフィードバック電流を流す場合には、コイル電流と発生磁場の関係比率を大きくする（同じコイル電流に対応する発生磁場を増加する）ことができるため、電流センサにおける消費電力を低減することが可能となる。
【００４３】
続いて、図５に示したように、コイルのターン数が同数であるコイルを２つ設ける場合において、フィードバック電流を流すコイルを切り替えるタイミングの一例について説明する。
【００４４】
コイルに流せる電流の最大値を２０ｍＡと仮定し、当該２０ｍＡをコイルＡとコイルＢの双方（ターン数２０）に流す場合に、１次電流１０００Ａが測定できる（磁場が０になる）ように設計する場合には、感度は１０００Ａ／２０ｍＡ＝５０ｍＡ／μＡとなる。一方、スイッチを切り替えて、コイルＡのみにフィードバック電流を流す場合には、感度が５００Ａ／２０ｍＡ＝２５ｍＡ／μＡとなる。ここで、コイルにおけるフィードバック電流の制御精度が１μＡで、電流センサへの要求精度が１％であると仮定すると、１０００Ａスケールでの動作時に測定電流が５Ａより小さくなると、コイルＡとコイルＢの双方（ターン数２０）を用いる場合には要求精度が保持出来なくなる。そのため、被測定電流が５Ａ以下の範囲においては、スイッチ回路でスイッチを切り替えてコイルＡのみにフィードバック電流を流す構成とすることにより、測定電流が２．５Ａまでの範囲において要求精度を確保することが可能となる。
【００４５】
この場合において、フィードバック電流を流すコイルの数（コイルのターン数）を切り替える閾値は、測定電流の５Ａから５００Ａの間で、ヒステリシスを持つように設定することが好ましい。例えば、ピーク時に１０００Ａ近い電流が流れるが、定常時には１００Ａ程度の電流値である場合には、１００Ａより十分大きく且つ５００Ａより十分小さい範囲において（例えば、電流が増加して３００Ａを超えた場合に）、コイルＡとコイルＢ（総ターン数２０）の双方にフィードバック電流を流す構成とし、電流値が減少して２００Ａを下回った場合に、コイルＡのみに（総ターン数１０）フィードバック電流を流す構成とする。このように閾値を設定することにより、頻繁な切り替わりをせずに動作させることができる。
【００４６】
なお、上述の例では同じターン数のコイルを２つ設ける場合について説明したがこれに限定されない。用途に応じて複数のコイルを組み合わせた場合の総ターン数を設定し、所望の小電流の測定において精度を確保できるように、各コイルのターン数を設定して、適宜組み合わせて動作させることが好ましい。
【００４７】
このように、実施の形態１に示した電流センサによれば、単一の電流センサにおいてフィードバック電流を流すコイルの数（ターン数）を切り替えるので、被測定電流値に応じて測定モードを制御することができる。これにより、高精度の測定と低消費電力を図ることが可能となる。
【００４８】
（実施の形態２）
実施の形態２では、磁気比例式電流センサについて説明する。なお、上記実施の形態１と同じ構成については、詳細な説明は省略する。
【００４９】
図６は、実施の形態２に係る磁気比例式電流センサを示す図である。図６に示す電流センサ２０は、被測定電流が流れる電流線の近傍に配設される。電流センサ２０は、センサ部２１と、制御部２２とから主に構成されている。
【００５０】
センサ部２１は、被測定電流によって発生する磁界を減少する磁界を発生可能となるよう配置された複数のコイル１１１ａ、１１１ｂ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１１２とから構成されている。複数のコイル１１１ａ、１１１ｂは、互いに直列に接続されて配置される。なお、図６では、コイルを２つ設ける場合を示したが、３つ以上のコイルを直列に接続して設けてもよい。
【００５１】
制御部２２は、ブリッジ回路１１２の差動出力を増幅する差動アンプ１２１と、コイルに所定の電流を供給する定電流源１３１と、複数のコイルの中で定電流源１３１から供給される電流を流すコイルを制御するスイッチ回路１２５と、スイッチ回路１２５のスイッチ動作を制御するスイッチ回路制御部１２３とを含む。
【００５２】
コイル１１１ａ、１１１ｂは、ブリッジ回路１１２の磁気抵抗効果素子の近傍において互いに直列に接続されて配置されており、被測定電流により発生する誘導磁界を減少する磁界を発生する。本実施の形態の電流センサでは、コイル１１１ａ、１１１ｂに対して被測定電流により生じる誘導磁界を打ち消してゼロにするような電流を流してコイル電流に基づいて被測定電流の測定を行うのではなく、磁気検出素子からの出力電圧に基づいて被測定電流の測定を行う。また、磁気検出素子の出力電圧が所定の範囲に保持されるように、複数のコイルの中で定電流源１３１から供給される電流（定電流）を流すコイルを選択して、被測定電流によって発生する磁界を減少する。
【００５３】
ブリッジ回路１１２は、被測定電流により生じた誘導磁界とコイル１１１ａ及び／又はコイル１１１ｂから発生した磁界に応じた電圧差を生じる２つの出力を備える。ブリッジ回路１１２の２つの出力は差動アンプ１２１で増幅される。増幅された出力はスイッチ回路制御部１２３に与えられ、差動アンプ１２１からの出力とスイッチ回路１２５のスイッチング状態に基づいてセンサ出力が決定される。
【００５４】
スイッチ回路１２５は、複数のコイル（ここでは、コイル１１１ａ、１１１ｂ）の中で定電流源１３１から供給される電流を流すコイルを制御する。具体的には、コイル１１１ａ、１１１ｂの出力部と、フィードバック電流の出力端子（図６では、グランド（ＧＮＤ））との間にそれぞれスイッチ１１３ａ、１１３ｂを設け、スイッチのオン／オフを制御する。
【００５５】
例えば、コイル１１１ａの出力部とフィードバック電流の出力端子の間のスイッチ１１３ａがオンで、コイル１１１ｂの出力部とフィードバック電流の出力端子の間のスイッチ１１３ｂがオフである場合には、コイル１１１ａだけに定電流が流れる。一方で、コイル１１１ａの出力部とフィードバック電流の出力端子の間のスイッチ１１３ａがオフで、コイル１１１ｂの出力部とフィードバック電流の出力端子の間のスイッチ１１３ｂがオンである場合には、コイル１１１ａとコイル１１１ｂの双方に定電流が流れる。また、スイッチ１１３ａとスイッチ１１３ｂの双方がオフである場合には、コイル１１１ａ、１１１ｂに定電流が流れず、センサ部２１は被測定電流によって発生する磁界を測定することとなる。
【００５６】
このように、直列に接続された複数のコイルの出力部と、定電流の出力端子との間にスイッチを設けて制御することにより、定電流を流すコイルの数（コイルのターン数）を切り替え、ＧＭＲ素子の飽和を抑制すると共に、電流センサで検出する電流を所定の範囲に設定することができる。
【００５７】
スイッチ回路制御部１２３は、被測定電流値に基づいてスイッチ回路１２５のスイッチングを制御し、定電流源１３１からの電流を流すコイルの数を切り替える。例えば、図６において、被測定電流値が所定の値（第１の閾値）以上である場合に、コイル１１１ａだけに定電流が流れる構成となるようにスイッチの切り替えを制御し（スイッチ１１３ａがオン、スイッチ１１３ｂがオフ）、さらに電流値が高い値（第２の閾値）以上である場合に、コイル１１１ａとコイル１１１ｂの双方に定電流が流れる構成（スイッチ１１３ａがオフ、スイッチ１１３ｂがオン）とする。これにより、被測定電流が大きい場合であってもその磁場によりＧＭＲ素子が磁気飽和することを抑制し、所定のレンジにおいて高精度で測定することが可能となる。
【００５８】
なお、図６では、スイッチ回路１２５として、コイル１１１ａ、１１１ｂの出力部と、定電流の出力端子（図６では、ＧＮＤ）との間にそれぞれスイッチを設ける場合を示したがこれに限られない。上記実施の形態１の図３に示すように、コイル１１１ａ、１１１ｂの入力部と、定電流の入力端子（図６では、定電流源１３１）との間にそれぞれスイッチを設ける構成としてもよいし、上記図４に示すように、定電流の入力端子と出力端子の双方にスイッチ回路１２５ａ、１２５ｂを設けた構成としてもよい。
【００５９】
また、上記図６に示したスイッチ回路１２５においてスイッチの切り替えを行う際に、全てのスイッチがオフとなる状態（同時切断）を避けて行うことが好ましい。全てのスイッチがオフ状態となった場合には、コイルから被測定電流によって発生する磁界を減少する磁界を発生させることができず、磁気検出素子に大きい誘導磁界が加わりＧＭＲ素子が磁気飽和してしまうためである。
【００６０】
例えば、図６に示すスイッチ回路１２５において、コイル１１１ａの出力部と定電流の出力端子の間のスイッチ１１３ａがオンで、コイル１１１ｂの出力部と定電流の出力端子の間のスイッチ１１３ｂがオフである状態から、コイル１１１ａの出力部と定電流の出力端子の間のスイッチ１１３ａがオフで、コイル１１１ｂの出力部と定電流の出力端子の間のスイッチ１１３ｂがオンとする場合には、スイッチ１１３ｂをオン（スイッチ１１３ａ、１１３ｂの双方がオン状態）とした後に、スイッチ１１３ａをオフとする。これにより、ＧＭＲ素子に大きい磁界が加わることによりＧＭＲ素子が飽和することを抑制し、高精度に測定することが可能となる。
【００６１】
ここで、実施の形態２で示す磁気比例式電流センサを用いて定電流を流すコイルの数を切り替える例について説明する。図７にＧＭＲ素子を用いた場合の測定電流と差動アンプ出力の関係、その場合のセンサ出力の一例を示す。
【００６２】
図７に示すように、定電流を流すコイルの数（ターン数）を増やすことにより、差動アンプ出力をマイナス方向にシフトすることができる。つまり、被測定電流に応じて定電流を流すコイルの数（ターン数）を制御することによりＧＭＲの飽和を抑制することができる。また、スイッチ回路制御部１２３において、スイッチ回路１２５のスイッチング状態に応じてセンサ出力を測定することにより、広いレンジで高精度に被測定電流を測定することが可能となる。
【００６３】
このように、実施の形態２に示した磁気比例式電流センサによれば、単一の電流センサにおいて被測定電流に応じて定電流を流すコイルの数（ターン数）を切り替えるので、ＧＭＲの飽和を抑制し、広いレンジで高精度に測定することが可能となる。
【００６４】
本発明は上記実施の形態１、２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１、２における各素子の接続関係、大きさなどは適宜変更して実施することが可能である。また、上記実施の形態においては、磁気検出素子として磁気抵抗効果素子を用いた場合について説明しているが、ホール素子やその他の磁気検出素子を用いて構成してもよい。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】
【００６５】
本発明は、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出する電流センサに適用することが可能である。【００６６】
本出願は、２０１０年７月２０日出願の特願２０１０−１６３１５６に基づく。この内容は、全てここに含めておく。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【手続補正書】
【提出日】平成24年12月13日(2012.12.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
コイル１１１ａ、１１１ｂは、ブリッジ回路１１２の磁気抵抗効果素子の近傍において互いに直列に接続されて配置されており、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。直列接続した複数のコイルの配置としては、磁気検出素子の一方の面側に複数のコイルを配置してもよいし（図２Ａ、図２Ｂ参照）、磁気検出素子の上下にそれぞれコイルを配置して直列に接続して設けてもよい（図２Ｃ参照）。例えば、磁気検出素子の一方の面側に複数のコイルを設ける構成としては、磁気検出素子の一方の面上に配置されたコイルにおいて、コイルの途中部分（例えば、コイルの巻き線の中点）から端子を取り出すことにより直列接続された複数のコイルとすることができる。具体的には、ターン数が２０であるコイルにおいて、中点（ターン数が１０の途中部分）から端子を取り出すことができる。
【国際調査報告】
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