特許 5678287 電流センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5678287

(24)【登録日】2015年1月16日

(45)【発行日】2015年2月25日

(54)【発明の名称】電流センサ

(51)【国際特許分類】

   G01R 15/20 20060101AFI20150205BHJP

【ＦＩ】

   G01R15/20 C

【請求項の数】8

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2010-274906(P2010-274906)

(22)【出願日】2010年12月9日

(65)【公開番号】特開2012-122897(P2012-122897A)

(43)【公開日】2012年6月28日

【審査請求日】2012年11月14日

(73)【特許権者】

【識別番号】310014322

【氏名又は名称】アルプス・グリーンデバイス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100108006

【弁理士】

【氏名又は名称】松下 昌弘

(72)【発明者】

【氏名】蛇口 広行

【審査官】 柳 重幸

(56)【参考文献】

【文献】 特表平１０−５１２９６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２９８７６１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｒ １５／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第一の磁気センサ素子と、感度の絶対値が前記第一の磁気センサ素子と略等しい第二の磁気センサ素子とが、感度軸が互いに逆向きになるようにして直列に接続されてなる直列回路と、
前記直列回路の合成特性を算出する合成特性測定部と、
前記合成特性測定部において算出された合成特性が所定範囲から外れた場合に故障と判断する故障判定部と、を有し、
前記第一の磁気センサ素子、および前記第二の磁気センサ素子は磁気抵抗効果素子であり、
前記合成特性測定部は前記合成特性として前記直列回路の合成抵抗値を算出することを特徴とする電流センサ。

【請求項2】

前記直列回路には定電圧源が接続され、
前記合成特性測定部は、前記直列回路を流れる電流値から前記合成抵抗値を算出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】

前記直列回路には定電流源が接続され、
前記合成特性測定部は、前記直列回路に生じる電圧から前記合成抵抗値を算出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4】

第一の磁気センサ素子と、感度の絶対値が前記第一の磁気センサ素子と略等しい第二の磁気センサ素子とが、感度軸が互いに逆向きになるようにして直列に接続されてなる直列回路と、
前記直列回路の合成特性を算出する合成特性測定部と、
前記合成特性測定部において算出された合成特性が所定範囲から外れた場合に故障と判断する故障判定部と、を有し、
前記第一の磁気センサ素子、および前記第二の磁気センサ素子はホール素子であり、
前記合成特性測定部は前記合成特性として前記直列回路の電圧値を算出することを特徴とする電流センサ。

【請求項5】

第一の磁気センサ素子と、感度の絶対値が前記第一の磁気センサ素子と略等しい第二の磁気センサ素子とが、感度軸が互いに逆向きになるように配置され、
第三の磁気センサ素子と、感度の絶対値が前記第三の磁気センサ素子と略等しい第四の磁気センサ素子とが、 感度軸が互いに逆向きになるように配置され、
前記第一の磁気センサ素子と、前記第三の磁気センサ素子とが、感度軸が互いに逆向きになるように配置され、
前記第一の磁気センサ素子の一端と前記第二の磁気センサ素子の一端とが接続され、
前記第三の磁気センサ素子の一端と前記第四の磁気センサ素子の一端とが接続され、
前記第一の磁気センサ素子の他端と前記第三の磁気センサ素子の他端とが接続され、
前記第二の磁気センサ素子の他端と前記第四の磁気センサ素子の他端とが接続されてなるブリッジ回路と、
前記ブリッジ回路の合成特性を算出する合成特性測定部と、
前記合成特性測定部において算出された合成特性が所定範囲から外れた場合に故障と判断する故障判定部と、を有し、
前記第一の磁気センサ素子、前記第二の磁気センサ素子、前記第三の磁気センサ素子、および前記第四の磁気センサ素子は磁気抵抗効果素子であり、
前記合成特性測定部は前記合成特性として前記ブリッジ回路の合成抵抗値を算出することを特徴とする電流センサ。

【請求項6】

前記ブリッジ回路には定電圧源が接続され、
前記合成特性測定部は、前記ブリッジ回路を流れる電流値から前記合成抵抗値を算出する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】

前記ブリッジ回路には定電流源が接続され、
前記合成特性測定部は、前記ブリッジ回路に生じる電圧から前記合成抵抗値を算出することを特徴とする請求項５に記載の電流センサ。

【請求項8】

前記第一の磁気センサ素子、および前記第四の磁気センサ素子を、被測定電流が通流する略Ｕ字型の電流路の一端部に配置し、
前記第二の磁気センサ素子、および前記第三の磁気センサ素子を、前記略Ｕ字型の電流路の他端部に配置したことを特徴とする請求項５〜７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、非接触で電流を測定する電流センサに関する。特に、故障判定機能を有す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。

【0003】

ところで、上述のような非接触型の電流センサでは、磁気センサ素子の経年変化等によって電流検出性能が低下してしまうことがある。このため、電流センサの故障判定が必要になることがある。特許文献２には、故障判定機能を有する電流センサとして、被測定電流の導通停止時にコイルに検査電流を流して故障判定を行う電流センサが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００２−１５６３９０号公報

【特許文献2】特開２００６−１４５４２６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献２に開示される電流センサでは、コイルに検査電流を流すことで、検査電流に対応する誘導磁界を発生させ、検出される測定値を元に故障判定を行っている。このため、上述の電流センサでは、被測定電流が僅かでも流れると、被測定電流によって発生する誘導磁界の影響を受け、故障判定を正確に行うことができない。つまり、上述の電流センサにおいて、故障判定は、電流センサの測定対象である被測定電流が導通していない場合に限られるという問題がある。

【0006】

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、被測定電流の通流時においても故障判定が可能な、故障判定機能を有す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】

【0007】

本発明の電流センサは、第一の磁気センサ素子と、感度の絶対値が前記第一の磁気センサ素子と略等しい第二の磁気センサ素子とが、感度軸が互いに逆向きになるようにして直列に接続されてなる直列回路と、前記直列回路の合成特性を算出する合成特性測定部と、
前記合成特性測定部において算出された合成特性が所定範囲から外れた場合に故障と判断する故障判定部と、を有し、前記第一の磁気センサ素子、および前記第二の磁気センサ素子は磁気抵抗効果素子であり、前記合成特性測定部は前記合成特性として前記直列回路の合成抵抗値を算出することを特徴とする。

【0008】

この構成によれば、電流センサを構成する第一の磁気センサ素子および第二の磁気センサ素子は、感度の絶対値が互いに等しく、また、感度軸が互いに逆向きになるように配置されている。これにより、第一の磁気センサ素子と第二の磁気センサ素子とが接続されてなる直列回路の合成特性は、被測定電流が通流しているか否かに関わらず略一定となる。このため、直列回路の合成特性を算出することで、リアルタイムに故障判定を行うことが可能である。つまり、被測定電流の通流時においても故障判定が可能な、故障判定機能を有する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、前記直列回路には定電圧源が接続され、前記合成特性測定部は、前記直列回路を流れる電流値から前記合成抵抗値を算出しても良い。また、本発明の電流センサにおいて、前記直列回路には定電流源が接続され、前記合成特性測定部は、前記直列回路に生じる電圧から前記合成抵抗値を算出しても良い。

【0010】

本発明の電流センサにおいて、前記第一の磁気センサ素子、および前記第二の磁気センサ素子はホール素子であり、前記合成特性測定部は前記合成特性として前記直列回路の電圧値を算出しても良い。

【0011】

本発明の電流センサは、第一の磁気センサ素子と、感度の絶対値が前記第一の磁気センサ素子と略等しい第二の磁気センサ素子とが、感度軸が互いに逆向きになるように配置され、第三の磁気センサ素子と、感度の絶対値が前記第三の磁気センサ素子と略等しい第四の磁気センサ素子とが、感度軸が互いに逆向きになるように配置され、前記第一の磁気センサ素子と、前記第三の磁気センサ素子とが、感度軸が互いに逆向きになるように配置され、前記第一の磁気センサ素子の一端と前記第二の磁気センサ素子の一端とが接続され、前記第三の磁気センサ素子の一端と前記第四の磁気センサ素子の一端とが接続され、前記第一の磁気センサ素子の他端と前記第三の磁気センサ素子の他端とが接続され、前記第二の磁気センサ素子の他端と前記第四の磁気センサ素子の他端とが接続されてなるブリッジ回路と、前記ブリッジ回路の合成特性を算出する合成特性測定部と、前記合成特性測定部において算出された合成特性が所定範囲から外れた場合に故障と判断する故障判定部と、を有することを特徴とする。

【0012】

この構成によれば、電流センサを構成する第一の磁気センサ素子および第二の磁気センサは、感度の絶対値が互いに等しく、また、感度軸が互いに逆向きになるように配置されている。また、第三の磁気センサ素子および第四の磁気センサは、感度の絶対値が互いに等しく、また、感度軸が互いに逆向きになるように配置されている。また、第一の磁気センサ素子および第三の磁気センサ素子は、感度軸が互いに逆向きになるように配置されている。これにより、第一の磁気センサ素子、第二の磁気センサ素子、第三の磁気センサ素子、および第四の磁気センサ素子が接続されてなるブリッジ回路の合成特性は、被測定電流が通流しているか否かに関わらず略一定となる。このため、ブリッジ回路の合成特性を算出することで、リアルタイムに故障判定を行うことが可能である。つまり、被測定電流の通流時においても故障判定が可能な、故障判定機能を有する電流センサを提供することができる。

【0013】

本発明の電流センサにおいて、前記第一の磁気センサ素子、前記第二の磁気センサ素子、前記第三の磁気センサ素子、および前記第四の磁気センサ素子は磁気抵抗効果素子であり、前記合成特性測定部は前記合成特性として前記ブリッジ回路の合成抵抗値を算出しても良い。また、本発明の電流センサにおいて、前記ブリッジ回路には定電圧源が接続され、前記合成特性測定部は、前記ブリッジ回路を流れる電流値から前記合成抵抗値を算出しても良い。また、本発明の電流センサにおいて、前記ブリッジ回路には定電流源が接続され、前記合成特性測定部は、前記ブリッジ回路に生じる電圧から前記合成抵抗値を算出しても良い。

【0015】

本発明の電流センサにおいて、前記第一の磁気センサ素子、および前記第四の磁気センサ素子を、被測定電流が通流する略Ｕ字型の電流路の一端部に配置し、前記第二の磁気センサ素子、および前記第三の磁気センサ素子を、前記略Ｕ字型の電流路の他端部に配置しても良い。

【0016】

この構成によれば、略Ｕ字型の電流路の一端部と他端部とで誘導磁界の向きが逆向きになるため、第一〜第四の磁気センサ素子の感度軸を全て同じ方向にすることができる。これにより、製造工程上、磁気センサ素子は１種類でよいため、磁気センサ素子を配置する工程を簡便にすることができる。

【発明の効果】

【0017】

本発明の電流センサにおいて、電流センサを構成する少なくとも一対の磁気センサ素子は、感度の絶対値が互いに等しくなっており、また、感度軸が互いに逆向きになるように配置されている。これにより、これらの磁気センサ素子を含む回路の合成特性は、被測定電流が通流しているか否かに関わらず略一定となる。このため、当該回路の合成特性を故障判定に用いることで、リアルタイムに故障判定を行うことが可能である。つまり、被測定電流の通流時においても故障判定が可能な、故障判定機能を有する電流センサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】実施の形態に係る電流センサの構成例について示す回路図である。

【図2】実施の形態に係る電流センサの別の構成例について示す回路図である。

【図3】ブリッジ回路の具体的な構成例を示す模式図である。

【図4】実施の形態に係る電流センサの故障判定処理を示すフロー図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

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。

【0020】

図１は、本実施の形態に係る電流センサの構成例について示す回路図（回路ブロック図）である。図１に示される電流センサ１は、磁気検出素子である２つの磁気センサ素子１１ａおよび１１ｂを含む直列回路（ハーフブリッジ回路）１１と、直列回路１１の特性（磁気センサ素子１１ａおよび１１ｂの合成特性）を測定し算出する合成特性測定部１２と、合成特性測定部１２において算出された合成特性を元に電流センサ１の故障の有無を判定する故障判定部１３と、直列回路１１に電力を供給する電源回路１４と、を備えている。ここで、磁気センサ素子１１ａおよび１１ｂに付された矢印は、各磁気センサ素子の感度軸の向きを表している。なお、電源回路１４は、電流センサ１の外部に設けられ、電流センサ１の構成としては含まれない場合がある。

【0021】

直列回路１１において、磁気センサ素子（第一の磁気センサ素子）１１ａの一端と磁気センサ素子（第二の磁気センサ素子）１１ｂの一端とは電気的に接続されており、センサ出力Ｏｕｔの出力端となっている。また、磁気センサ素子１１ａの他端と磁気センサ素子１１ｂの他端とは、直列回路１１の外部接続端となっている。合成特性測定部１２は直列回路１１の合成特性を測定することができるように直列回路１１と接続されている。なお、合成特性測定部１２と直列回路１１との接続関係は、図１に示すものに限定されない。故障判定部１３は、合成特性測定部１２からの情報を元に故障判定を行うことができるように、合成特性測定部１２と接続されている。また、直列回路１１には、電力の供給源である電源回路１４が接続されている。

【0022】

上記電流センサ１において、磁気センサ素子１１ａと磁気センサ素子１１ｂとは、電流線（図示せず）を通流する被測定電流により発生する誘導磁界によって、その特性が変化する素子である。このような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。このような性質の磁気センサ素子を用いて上述のような直列回路１１を構成する場合、磁気センサ素子１１ａの一端と磁気センサ素子１１ｂの一端との接続点の電気的特性（例えば、電圧）は、被測定電流により発生する誘導磁界の大きさに応じて変動する。このため、当該接続点の電気的特性をセンサ出力Ｏｕｔとして取り出すことで、当該電気的特性の変動から、誘導磁界の大きさを算出し被測定電流の大きさを算出することができる。

【0023】

ここで、上記電流センサ１において、磁気センサ素子１１ａと磁気センサ素子１１ｂとは、感度の絶対値が互いに等しくなっている。そして、磁気センサ素子１１ａと磁気センサ素子１１ｂとは、感度軸が互いに逆向きになるように配置されている。このため、正常な状態にある磁気センサ素子１１ａおよび１１ｂを含む直列回路１１の合成特性は、被測定電流の値に依存せず、概ね一定となる。

【0024】

例えば、磁気センサ素子１１ａと磁気センサ素子１１ｂとに、外部磁界に応じて電気抵抗（単に、抵抗という場合がある）が変化する磁気抵抗効果素子を用いることを考える。磁気抵抗効果素子は、外部磁界に応じて電気抵抗が変化するという性質を有するため、故障判定に用いる特性としては電気抵抗が適している。そこで、ここでは合成特性として合成抵抗を採用する。磁気センサ素子１１ａの電気抵抗の初期値（無磁界における値）、および磁気センサ素子１１ｂの電気抵抗の初期値（無磁界における値）をそれぞれＲとすると、これら二つの磁気センサ素子１１ａ、１１ｂを直列に接続した直列回路１１の合成抵抗の初期値（無磁界における値）は２Ｒとなる。なお、磁気センサ素子１１ａと１１ｂとは、感度の絶対値（ここでは、抵抗変化分の絶対値）が略等しいものであれば、その抵抗の初期値は等しくなくとも良い。

【0025】

被測定電流の誘導磁界によって、磁気センサ素子１１ａの抵抗がΔＲだけ変化し、Ｒ＋ΔＲになったとする。磁気センサ素子１１ｂは、感度の絶対値が磁気センサ素子１１ａと等しく、感度軸の向きが磁気センサ素子１１ａとは逆向きであるから、磁気センサ素子１１ｂにおける抵抗の変化分は−ΔＲとなる。つまり、このときの磁気センサ素子１１ｂの抵抗はＲ−ΔＲである。このため、合成抵抗は（Ｒ＋ΔＲ）＋（Ｒ−ΔＲ）＝２Ｒとなり、初期値からの変化はない。なお、当該等式を成立させるためには、具体的には、同一の特性を持つ２つの素子を逆向きに配置すればよい。または、同一の誘導磁界に対して、抵抗の増減が逆（例えば、一方が＋ΔＲの場合に、他方が−ΔＲ）である２つの素子を同じ向きに配置しても良い。このように、電流センサ１においては、上記等式を成立させることができる条件であれば適切な故障判定が可能であるから、電流センサ１における磁気センサ素子１１ａ、１１ｂの具体的な配置は特に限定されない。また、上記等式を成立させる条件を総称して、「感度軸が逆向き」と表現することとする。なお、上述のように抵抗の増減が逆向きになる素子の例としては、ピン層の向きを逆向きにしたＧＭＲ素子などがあげられる。

【0026】

このように、磁気センサ素子１１ａと磁気センサ素子１１ｂとは、感度の絶対値が互いに等しく、かつ感度軸が互いに逆向きになるように配置されているため、直列回路１１の合成特性（磁気抵抗効果素子を用いる場合においては合成抵抗）は、通常、外部磁界に関わらず概ね一定となる。一方で、磁気センサ素子１１ａまたは１１ｂに経年変化等による異常が発生し、磁気センサ素子１１ａまたは１１ｂの感度が変化したとすると、磁気センサ素子１１ａと磁気センサ素子１１ｂとのバランスが崩れ、直列回路１１の合成特性は一定ではなくなる。このため、合成特性が所定の範囲内に存在するか否かを故障判定部１３において判定することによって、磁気センサ素子１１ａまたは磁気センサ素子１１ｂの異常を検知し、故障の有無を判定することができる。

【0027】

なお、故障判定部１３における故障判定に用いられる「所定の範囲」は、測定誤差や素子特性ばらつきや測定電流レンジなどの要因を考慮して決定される。例えば、合成特性の基準値（初期値）に対して±２％程度の範囲を「所定の範囲」として故障判定を行うことができる。なお、上記「所定の範囲」を複数設け、他段階の判定を行っても良い。具体的には、「所定の範囲」として「広い所定の範囲」（例えば、合成特性の基準値に対して±３％程度の範囲）と「狭い所定の範囲」（例えば、合成特性の基準値に対して±１％程度の範囲）とを設定し、測定された合成特性が「狭い所定の範囲」を超えるものであった場合に「注意判定」を行い、「広い所定の範囲」を超えるものであった場合に「故障判定」を行う、といった構成としても良い。また、「所定の範囲」は範囲を有していることに限られない。例えば、「所定の範囲」を、合成特性の基準値のみの一点として設定し、合成特性の基準値から外れた場合に直ちに「故障判定」を行う構成としても良い。

【0028】

なお、上記電流センサ１において、合成特性としての合成抵抗の測定方法は、電源回路１４が定電流源であるか定電圧源であるかによって異なってくる。例えば、電源回路１４が定電流源である場合には、合成特性測定部１２は直列回路１１に加わる電圧を測定することで、合成抵抗を算出することができる。また、電源回路１４が定電圧源である場合には、合成特性測定部１２は直列回路１１を流れる電流を測定することで、合成抵抗を算出することができる。このように、電源の種類などに応じて、合成特性測定部１２が測定するパラメータは異なってくるから、直列回路１１と合成特性測定部１２との接続関係は、適切な測定によって合成抵抗を算出できるものであればよい。

【0029】

なお、磁気抵抗効果素子において、線形領域（出力が磁界に対して略線形に変化する測定領域）を超える磁界に対しては、抵抗変化が飽和して抵抗の変化量が小さくなる傾向にある。これを利用して、適切な電流測定が行われているか否かを検知することも可能である。例えば、２つの磁気センサ素子の線形領域をあらかじめ異ならせておく。この状態において、大きな被測定電流が通流して大きな誘導磁界が生じたとすると、磁気センサ素子のどちらか一方が先に飽和して抵抗変化が小さくなる。すると、２つの磁気センサ素子の合成特性（合成抵抗）のバランスが崩れる。このように、２つの磁気センサ素子の線形領域を異ならせておくことで、一方の磁気センサ素子が飽和し、適切な電流測定が困難な状態にあることを検知することができる。

【0030】

なお、上記電流センサ１の機能を実現できる構成であれば、合成特性測定部１２や故障判定部１３、電源回路１４などの具体的な実装態様については特に限られない。例えば、これらを電流センサ外部に設けても良い。より具体的には、合成特性測定部１２や故障判定部１３、電源回路１４などの各種回路を、電流センサ外部のＩＣ内に設けても良い。このように、電流センサ外部のＩＣで各種回路を実現することにより、コスト増を抑えつつ、優れた電流センサを実現できる。

【0031】

以上においては、磁気センサ素子１１ａおよび磁気センサ素子１１ｂとして磁気抵抗効果素子を用いる場合を例に挙げて説明したが、磁気センサ素子１１ａおよび磁気センサ素子１１ｂとして用いることができる磁気センサ素子はこれに限られない。例えば、磁気センサ素子１１ａおよび磁気センサ素子１１ｂとして、ホール素子を用いることもできる。以下、磁気センサ素子１１ａおよび磁気センサ素子１１ｂとして、ホール素子を用いる場合について簡単に説明する。

【0032】

ホール素子は、磁界中において素子を流れる荷電粒子にローレンツ力が働き、これによって起電力が生じる現象（ホール効果）を利用した素子である。ホール素子は、外部磁界に応じて起電力（電圧、または電位差）が変化するという性質を有するため、故障判定に用いる特性としては起電力（電圧、または電位差）が適している。そこで、磁気センサ素子１１ａおよび磁気センサ素子１１ｂとしてホール素子を用いる場合には、合成特性として直列回路の起電力（電圧、または電位差）を採用する。なお、磁気センサ素子１１ａの起電力の初期値（無磁界における値）、および磁気センサ素子１１ｂの起電力の初期値（無磁界における値）は、通常、ゼロである。このため、これら二つの磁気センサ素子１１ａ、１１ｂを直列に接続した直列回路１１の起電力の初期値（無磁界における値）はゼロとなる。

【0033】

被測定電流の誘導磁界によって、磁気センサ素子１１ａの起電力がΔＶだけ変化し、ΔＶになったとする。磁気センサ素子１１ｂは、感度の絶対値が磁気センサ素子１１ａと等しく、感度軸の向きが磁気センサ素子１１ａとは逆向きであるから、磁気センサ素子１１ｂにおける起電力の変化分は−ΔＶとなる。つまり、このときの磁気センサ素子１１ｂの起電力は−ΔＶである。このため、直列回路１１の起電力はΔＶ＋（−ΔＶ）＝０となり、初期値からの変化はない。

【0034】

このように、磁気センサ素子１１ａおよび磁気センサ素子１１ｂとして、ホール素子を用いる場合においても、直列回路１１の合成特性（ここでは、起電力）は、通常、外部磁界に関わらず概ね一定となる。このため、合成特性が所定の範囲内に存在するか否かを故障判定部１３において判定することによって、磁気センサ素子１１ａまたは磁気センサ素子１１ｂの異常を検知し、故障の有無を判定することができる。

【0035】

以上説明したように、本実施の形態の電流センサ１では、電流センサ１を構成する第一の磁気センサ素子１１ａおよび第二の磁気センサ１１ｂは、感度の絶対値が互いに等しく、また、感度軸が互いに逆向きになるように配置されている。これにより、第一の磁気センサ素子１１ａと第二の磁気センサ素子１１ｂとが接続されてなる直列回路１１の合成特性は、被測定電流が通流しているか否かに関わらず略一定となる。このため、合成特性測定部１２において直列回路１１の合成特性を算出することで、故障判定部１３においてリアルタイムに故障判定を行うことが可能である。つまり、被測定電流の通流時においても故障判定が可能な、故障判定機能を有する電流センサを提供することができる。

【0036】

図２は、図１とは異なる態様の電流センサの構成例について示す回路図（回路ブロック図）である。図２に示される電流センサ２は、磁気検出素子である４つの磁気センサ素子２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄを含むブリッジ回路２１と、ブリッジ回路２１の特性（磁気センサ素子２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄの合成特性）を測定し算出する合成特性測定部２２と、合成特性測定部２２において算出された合成特性を元に電流センサ２の故障の有無を判定する故障判定部２３と、ブリッジ回路２１に電力を供給する電源回路２４と、を備えている。ここで、磁気センサ素子２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄに付された矢印は、各磁気センサ素子の感度軸の向きを表している。なお、電源回路２４は、電流センサ２の外部に設けられ、電流センサ２の構成としては含まれない場合がある。

【0037】

ブリッジ回路２１において、磁気センサ素子（第一の磁気センサ素子）２１ａの一端と磁気センサ素子（第二の磁気センサ素子）２１ｂの一端とは電気的に接続されており、センサ出力Ｏｕｔ１の出力端となっている。磁気センサ素子（第三の磁気センサ素子）２１ｃの一端と磁気センサ素子（第四の磁気センサ素子）２１ｄの一端とは電気的に接続されており、センサ出力Ｏｕｔ２の出力端となっている。また、磁気センサ素子２１ａの他端と磁気センサ素子２１ｃの他端とは電気的に接続され、磁気センサ素子２１ｂの他端と磁気センサ素子２１ｄの他端とは電気的に接続されて、ブリッジ回路２１の外部接続端となっている。合成特性測定部２２はブリッジ回路２１の合成特性を測定することができるようにブリッジ回路２１と接続されている。なお、合成特性測定部２２とブリッジ回路２１との接続関係は、図２に示すものに限定されない。故障判定部２３は、合成特性測定部２２からの情報を元に故障判定を行うことができるように、合成特性測定部２２と接続されている。また、ブリッジ回路２１には、電力の供給源である電源回路２４が接続されている。

【0038】

上記電流センサ２において、磁気センサ素子２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄは、電流線（図示せず）を通流する被測定電流により発生する誘導磁界によって、その特性が変化する素子である。この点は、図１における電流センサ１と同様である。

【0039】

電流センサ２において、磁気センサ素子２１ａと磁気センサ素子２１ｂとは、感度の絶対値が互いに等しくなっており、磁気センサ素子２１ｃと磁気センサ素子２１ｄとは、感度の絶対値が互いに等しくなっている。そして、磁気センサ素子２１ａと磁気センサ素子２１ｂとは、感度軸が互いに逆向きになるように配置されており、磁気センサ素子２１ｃと磁気センサ素子２１ｄとは、感度軸が互いに逆向きになるように配置されている。このため、正常な状態にある磁気センサ素子２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄを含むブリッジ回路２１の合成特性は、被測定電流の値に依存せず、概ね一定となる。

【0040】

例えば、磁気センサ素子２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄに、外部磁界に応じて電気抵抗が変化する磁気抵抗効果素子を用い、合成特性として合成抵抗を採用することを考える。磁気センサ素子２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄの電気抵抗の初期値（無磁界における値）をＲとすると、磁気センサ素子２１ａ、２１ｂを直列に接続した直列回路の合成抵抗の初期値（無磁界における値）は２Ｒとなり、磁気センサ素子２１ｃ、２１ｄを直列に接続した直列回路の合成抵抗の初期値（無磁界における値）は２Ｒとなる。このため、二つの直列回路が並列に接続された構成のブリッジ回路２１において、合成抵抗の初期値（無磁界における値）はＲとなる。なお、磁気センサ素子２１ａと２１ｂ、または磁気センサ素子２１ｃと２１ｄ、は、感度の絶対値（ここでは、抵抗変化分の絶対値）が略等しいものであれば、その抵抗の初期値は等しくなくとも良い。

【0041】

被測定電流の誘導磁界によって、磁気センサ素子２１ａの抵抗がΔＲ１だけ変化し、Ｒ＋ΔＲ１になったとする。また、磁気センサ素子２１ｃの抵抗が−ΔＲ２だけ変化し、Ｒ−ΔＲ２になったとする。磁気センサ素子２１ｂは、感度の絶対値が磁気センサ素子２１ａと等しく、感度軸の向きが磁気センサ素子２１ａとは逆向きであるから、磁気センサ素子２１ｂにおける抵抗の変化分は−ΔＲ１となる。このときの磁気センサ素子２１ｂの抵抗はＲ−ΔＲ１である。このため、磁気センサ素子２１ａ、２１ｂを直列に接続した直列回路の合成抵抗は（Ｒ＋ΔＲ１）＋（Ｒ−ΔＲ１）＝２Ｒとなる。同様に、磁気センサ素子２１ｄは、感度の絶対値が磁気センサ素子２１ｃと等しく、感度軸の向きが磁気センサ素子２１ｃとは逆向きであるから、磁気センサ素子２１ｄにおける抵抗の変化分はΔＲ２となる。このときの磁気センサ素子２１ｄの抵抗はＲ＋ΔＲ２である。このため、磁気センサ素子２１ｃ、２１ｄを直列に接続した直列回路の合成抵抗は（Ｒ−ΔＲ２）＋（Ｒ＋ΔＲ２）＝２Ｒとなる。つまり、二つの直列回路が並列に接続された構成のブリッジ回路２１の合成抵抗はＲとなり、初期値からの変化はない。

【0042】

このように、磁気センサ素子２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄが、上述の関係を有しているため、ブリッジ回路２１の合成特性（磁気抵抗効果素子を用いる場合においては合成抵抗）は、通常、外部磁界に関わらず概ね一定となる。一方で、磁気センサ素子２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄに経年変化等による異常が発生し、磁気センサ素子２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄの感度が変化したとすると、磁気センサ素子２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄのバランスが崩れ、ブリッジ回路２１の合成特性は一定ではなくなる。このため、合成特性が所定の範囲内に存在するか否かを故障判定部２３において判定することによって、磁気センサ素子２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄの異常を検知し、故障の有無を判定することができる。

【0043】

なお、電流センサ２において、磁気センサ素子２１ａの感度軸の向きと磁気センサ素子２１ｃの感度軸の向きとが互いに逆向きになり、磁気センサ素子２１ｂの感度軸の向きと磁気センサ素子２１ｄの感度軸の向きとが互いに逆向きになるように、各磁気センサ素子が配置されている。このような構成を採用することで、センサ出力Ｏｕｔ１とセンサ出力Ｏｕｔ２の電圧の差が大きくなるため、電流測定の精度を高めることができる。

【0044】

なお、上記電流センサ２において、合成特性としての合成抵抗の測定方法は、電源回路２４が定電流源であるか定電圧源であるかによって異なってくる。例えば、電源回路２４が定電流源である場合には、合成特性測定部２２はブリッジ回路２１に加わる電圧を測定することで、合成抵抗を算出することができる。また、電源回路２４が定電圧源である場合には、合成特性測定部２２はブリッジ回路２１を流れる電流を測定することで、合成抵抗を算出することができる。このように、電源の種類などに応じて、合成特性測定部２２が測定するパラメータは異なってくるから、ブリッジ回路２１と合成特性測定部２２との接続関係は、適切な測定によって合成抵抗を算出できるものであればよい。

【0045】

以上においては、磁気センサ素子２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄとして磁気抵抗効果素子を用いる場合を例に挙げて説明したが、磁気センサ素子２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄとして用いることができる磁気センサ素子はこれに限られない。例えば、磁気センサ素子２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄとして、ホール素子を用いることもできる。以下、磁気センサ素子２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄとして、ホール素子を用い、合成特性としてブリッジ回路２１の電圧を採用する場合について簡単に説明する。

【0046】

磁気センサ素子２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄとしてホール素子を用いる場合、磁気センサ素子２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄとしての起電力の初期値（無磁界における値）は、通常、ゼロである。このため、磁気センサ素子２１ａと２１ｂとを直列に接続した直列回路の起電力の初期値（無磁界における値）はゼロとなり、磁気センサ素子２１ｃと２１ｄとを直列に接続した直列回路の起電力の初期値（無磁界における値）もゼロとなる。つまり、これら二つの直列回路が並列に接続された構成のブリッジ回路２１の起電力の初期値（無磁界における値）もゼロとなる。

【0047】

被測定電流の誘導磁界によって、磁気センサ素子２１ａの起電力がΔＶ１だけ変化し、ΔＶ１になったとする。また、磁気センサ素子２１ｃの起電力が−ΔＶ２だけ変化し、−ΔＶ２になったとする。磁気センサ素子２１ｂは、感度の絶対値が磁気センサ素子２１ａと等しく、感度軸の向きが磁気センサ素子２１ａとは逆向きであるから、磁気センサ素子２１ｂにおける起電力の変化分は−ΔＶ１となる。このときの磁気センサ素子２１ｂの起電力は−ΔＶ１である。このため、磁気センサ素子２１ａ、２１ｂを直列に接続した直列回路の起電力はΔＶ１＋（−ΔＶ１）＝０となる。同様に、磁気センサ素子２１ｄは、感度の絶対値が磁気センサ素子２１ｃと等しく、感度軸の向きが磁気センサ素子２１ｃとは逆向きであるから、磁気センサ素子２１ｄにおける起電力の変化分はΔＶ２となる。このときの磁気センサ素子２１ｄの起電力はΔＶ２である。このため、磁気センサ素子２１ｃ、２１ｄを直列に接続した直列回路の起電力は−ΔＶ２＋（ΔＶ２）＝０となる。つまり、二つの直列回路が並列に接続された構成のブリッジ回路２１の起電力はゼロとなり、初期値からの変化はない。

【0048】

このように、磁気センサ素子２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄとして、ホール素子を用いる場合においても、ブリッジ回路２１の合成特性（ここでは、起電力）は、通常、外部磁界に関わらず概ね一定となる。このため、合成特性が所定の範囲内に存在するか否かを故障判定部２３において判定することによって、磁気センサ素子２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄの異常を検知し、故障の有無を判定することができる。

【0049】

なお、電流センサ２では、ブリッジ回路２１の合成特性を用いて故障判定を行うため、磁気センサ素子２１ａおよび磁気センサ素子２１ｄの特性が同程度変化する故障モードや、磁気センサ素子２１ｃおよび磁気センサ素子２１ｂの特性が同程度変化する故障モードなどを検出することも可能である。例えば、磁気センサ素子に大電流が流れると、磁気ヒステリシスによって磁気センサ素子の特性が変化（劣化）してしまうことがある。そして、その変化の度合いは、感度軸の向きが同じ磁気センサ素子（電流センサ２では、磁気センサ素子２１ａと２１ｄ、または磁気センサ素子２１ｂと２１ｃ）において同様に表れることがある。このような故障モードは、電流センサの出力波形からは検出が困難である。本実施の形態の電流センサ２では、ブリッジ回路２１の合成特性を用いて故障判定を行うため、二つの磁気センサ素子に同様に表れる抵抗値変動を検出することが可能であり、比較的検出が困難な上述のような故障モードの検出が可能である。このため、このような検出結果に基づいて消磁などの対策を施すことにより、適切な電流測定を実現できる。

【0050】

図３は、電流センサ２のブリッジ回路２１の具体的な構成例を示す模式図である。図３に示されるように、電流センサ２において外来磁場の影響を排除するために、例えば、略Ｕ字型の電流路３１の一端部３１ａに二つの磁気センサ素子２１ａ、２１ｄを配置し、他端部３１ｂに別の二つの磁気センサ素子２１ｂ、２１ｃを配置してブリッジ回路２１を構成することがある。この場合、電流路３１を通流する被測定電流により発生する誘導磁場Ａと、外来磁場Ｂとの合成磁場は、電流路３１の左右で異なる。そのため、４つの磁気センサ素子の感度軸を全て同じ方向に設置しても、図２のように感度軸の向きを変えた場合と同様の作用が得られる。感度軸を全て同一にできるということは、製造工程上、素子の種類を１種類にすることができるということであり、素子を配置する工程が簡便になるという利点がある。

【0051】

例えば、図３に示されるように、電流路３１の左側においては誘導磁場Ａと外来磁場Ｂとが同じ方向を向いているのに対して、電流路３１の右側においては誘導磁場Ａと外来磁場Ｂとが異なる方向を向いている。このため、図３に示される場合には、磁気ヒステリシスの影響は、電流路３１の左側において強く表れることがある。このように、磁気ヒステリシスの影響によっても合成特性のバランスが崩れることがあるため、このような状態を検出することもできる。なお、このような状態が検出された場合には、逆向きの大きな磁場を印加する方法や、減衰する交流磁場を印加する方法などにより消磁することができる。

【0052】

図４は、本実施の形態における電流センサ１の故障判定処理を示すフロー図である。なお、ここでは電流センサ１における故障判定処理のフローを説明するが、電流センサ２においても、同様の処理によって故障判定を行うことができる。

【0053】

故障判定処理が開始されると、ステップ１０１において、合成特性測定部１２は、直列回路１１の合成特性を測定、算出する。磁気センサ素子１１ａおよび１１ｂが磁気抵抗効果素子である場合には、合成特性測定部１２は、直列回路１１に加わる電圧、または直列回路１１を流れる電流を測定し、直列回路１１の合成抵抗を算出する。磁気センサ素子１１ａおよび１１ｂがホール素子である場合には、合成特性測定部１２は、直列回路１１の起電力（電圧、電位差）を測定する。

【0054】

その後、ステップ１０２において、故障判定部１３は、合成特性測定部１２において測定、算出された合成特性が、基準となる範囲に収まっているかどうかを判定する。基準となる範囲は、電流センサ１に求められる精度や信頼性などから適宜設定することができるが、例えば、基準値（例えば、無磁界における合成特性の初期値）の±３％を下限値および上限値として設定し、当該範囲内であるか否かによって判定することができる。

【0055】

ステップ１０２において合成特性が基準となる範囲内にある場合、ステップ１０３において、故障判定部１３は、電流センサ１が正常である（故障はない）と判定する。一方、ステップ１０２において合成特性が基準となる範囲内にない場合、ステップ１０４において、故障判定部１３は、電流センサ１に故障ありと判定する。当該判定がなされた段階で故障判定処理が終了する。

【0056】

なお、上述の故障判定処理によって、電流センサ１または電流センサ２が故障であるとの判定がなされた場合には、電流センサ１または電流センサ２に対して消磁などの対策をとることができる。また、電流センサ１または電流センサ２を含むシステムに警告を出すなどの処理を行っても良い。

【0057】

以上のように、本発明の電流センサにおいて、電流センサを構成する少なくとも一対の磁気センサ素子は、感度の絶対値が互いに等しくなっており、また、感度軸が互いに逆向きになるように配置されている。これにより、これらの磁気センサ素子を含む回路の合成特性は、被測定電流が通流しているか否かに関わらず略一定となる。このため、当該回路の合成特性を故障判定に用いることで、リアルタイムに故障判定を行うことが可能である。つまり、被測定電流の通流時においても故障判定が可能な、故障判定機能を有する電流センサを提供することができる。

【0058】

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】

【0059】

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。

【符号の説明】

【0060】

１、２ 電流センサ
１１ 直列回路
１１ａ、１１ｂ 磁気センサ素子
１２ 合成特性測定部
１３ 故障判定部
１４ 電源回路
２１ ブリッジ回路
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ 磁気センサ素子
２２ 合成特性測定部
２３ 故障判定部
２４ 電源回路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】