WO2024252947A1 - 電流センサ - Google Patents

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WO2024252947A1
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detection element
magnetic detection
current
bus bar
magnetic
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PCT/JP2024/019063
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English (en)
French (fr)
Inventor
大佐 中村
隆弘 指宿
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Murata Manufacturing Co Ltd
Original Assignee
Murata Manufacturing Co Ltd
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/20—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, i.e. measuring a magnetic field via the interaction between a current and a magnetic field, e.g. magneto resistive or Hall effect devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/22—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof using conversion of AC into DC

Definitions

  • the present invention relates to a current sensor.
  • Patent Document 1 Patent Publication No. 5065887 discloses a current sensor.
  • this current sensor two printed circuit boards are arranged on three sets of bus bars through which a three-phase current flows.
  • Each of the two printed circuit boards is equipped with two Hall elements that detect the magnetic field generated by the current flowing through the current measurement target, and a signal processing integrated circuit that processes the detection output of these two Hall elements to calculate the current value flowing through the current measurement target.
  • Two printed circuit boards equipped with current sensors are arranged from the outside for two phases at both ends of the three-phase current bus bar arranged in parallel.
  • Patent Document 1 also discloses that if the current of two phases is measured, the third phase can be found by calculation.
  • Patent Document 1 two current values are calculated from four Hall elements. The remaining current value is then calculated based on these two current values. For this reason, the signal processing integrated circuit in Patent Document 1 as a whole is considered to include at least two signal processing operational amplifiers connected in series in order to calculate this remaining current value. This may result in a deterioration in the responsiveness of the current sensor.
  • the present invention was made in consideration of the above problems, and aims to provide a current sensor with improved responsiveness.
  • a current sensor includes a first bus bar, a second bus bar, a third bus bar, a first magnetic detection element, a second magnetic detection element, a third magnetic detection element, a fourth magnetic detection element, and a calculation unit.
  • the first bus bar extends along a first direction.
  • the second bus bar extends along the first direction and is aligned with the first bus bar in a second direction perpendicular to the first direction.
  • the third bus bar extends along the first direction and is aligned with the second bus bar in the second direction, and is positioned such that the distance between the third bus bar and the second bus bar is equal to the distance between the first bus bar and the second bus bar.
  • the first magnetic detection element is aligned with the first bus bar in a third direction perpendicular to both the first direction and the second direction, has a sensitivity axis facing the second direction or a direction opposite to the second direction, and outputs a first output value (V 1 ) according to a magnetic field component applied in the second direction.
  • the second magnetic detection element is aligned with the first bus bar in the third direction, and is positioned on the opposite side of the first magnetic detection element as viewed from the first bus bar such that the distance from the first bus bar is equal to the distance between the first bus bar and the first magnetic detection element, has a sensitivity axis facing in the opposite direction to the sensitivity axis of the first magnetic detection element, and outputs a second output value (V 2 ) corresponding to the magnetic field component applied in the second direction.
  • the third magnetic detection element is aligned with the third bus bar in the third direction and with the first magnetic detection element in the second direction, has a sensitivity axis facing in the same direction as the sensitivity axis of the first magnetic detection element, and outputs a third output value (V 3 ) corresponding to the magnetic field component applied in the second direction.
  • the fourth magnetic detection element is aligned with the third bus bar in the third direction and with the second magnetic detection element in the second direction, has a sensitivity axis facing in the same direction as the sensitivity axis of the second magnetic detection element, and outputs a fourth output value (V 4 ) corresponding to the magnetic field component applied in the second direction.
  • the calculation unit calculates a current value (I 1 ) of a first current flowing through the first bus bar in a first direction, a current value (I 2 ) of a second current flowing through the second bus bar in the first direction, and a current value (I 3 ) of a third current flowing through the third bus bar in the first direction, based on the first output value (V 1 ), the second output value (V 2 ), the third output value (V 3 ), and the fourth output value (V 4 ).
  • the first current, the second current, and the third current constitute a three-phase AC current.
  • the calculation unit is configured to be able to calculate the current value (I 1 ), the current value (I 2 ), and the current value (I 3 ) of the first current, the second current, and the third current, based on the following formulas (1), ( 2 ), and (3).
  • the present invention provides a current sensor with improved responsiveness.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a current sensor according to an embodiment of the present invention from one direction.
  • 4 is a perspective view showing the configuration of the current sensor according to the embodiment of the present invention from another direction.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a current sensor according to an embodiment of the present invention; 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a current sensor according to an embodiment of the present invention and also showing a schematic view of a first magnetic field. 4 is a cross-sectional view showing the configuration of a current sensor according to an embodiment of the present invention and also showing a schematic view of a second magnetic field.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a current sensor according to an embodiment of the present invention
  • 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a current sensor according to an embodiment of the present invention and also showing a schematic view of a first magnetic field.
  • 4 is a cross-sectional view showing the configuration of a current sensor according to an
  • 1 is a cross-sectional view showing the configuration of a current sensor according to an embodiment of the present invention and also showing a schematic view of a third magnetic field.
  • 1 is a cross-sectional view showing the configuration of a current sensor according to an embodiment of the present invention, and typically showing external magnetic field components applied to each magnetic detection element.
  • 1 is a circuit diagram illustrating a schematic circuit configuration of a current sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of a current sensor according to one embodiment of the present invention from one direction.
  • FIG. 2 is a perspective view showing the configuration of a current sensor according to one embodiment of the present invention from another direction.
  • FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of a current sensor according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration of a current sensor according to one embodiment of the present invention and also showing a schematic first magnetic field.
  • a current sensor 1 includes a first bus bar 10A, a second bus bar 10B, a third bus bar 10C, a first magnetic detection element 20A, a second magnetic detection element 20B, a third magnetic detection element 20C, a fourth magnetic detection element 20D, and a calculation unit 30.
  • the first bus bar 10A extends linearly along the first direction DR1.
  • a first current flows in the first direction DR1 through the first busbar 10A.
  • the first current is an alternating current. Therefore, a current value (I 1 ) of the first current in the first direction DR1 can be a positive value or a negative value.
  • a first magnetic field B1 is generated around the first busbar 10A.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing the configuration of a current sensor according to one embodiment of the present invention and also showing a schematic of a second magnetic field.
  • the second bus bar 10B extends linearly along the first direction DR1.
  • the second bus bar 10B is aligned with the first bus bar 10A in the second direction DR2.
  • the second direction DR2 is perpendicular to the first direction DR1.
  • a second current flows in the second busbar 10B in the first direction DR1.
  • the second current is an alternating current. Therefore, the current value ( I2 ) of the second current in the first direction DR1 can be a positive value or a negative value.
  • a second magnetic field B2 is generated around the second busbar 10B.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing the configuration of a current sensor according to one embodiment of the present invention and also showing a schematic diagram of a third magnetic field.
  • the third busbar 10C extends linearly along the first direction DR1.
  • the third busbar 10C is aligned with the second busbar 10B in the second direction DR2.
  • the third busbar 10C is positioned such that the distance from the second busbar 10B is equal to the distance from the first busbar 10A to the second busbar 10B.
  • a third current flows in the third busbar 10C in the first direction DR1.
  • the third current is an alternating current. Therefore, the current value ( I3 ) of the third current in the first direction DR1 can be a positive value or a negative value.
  • a third magnetic field B3 is generated around the third busbar 10C.
  • the first busbar 10A, the second busbar 10B, and the third busbar 10C are three-phase three-wire busbars.
  • the first current, the second current, and the third current constitute a three-phase AC current.
  • the first current, the second current, and the third current constitute AC currents having the same amplitude and shifted in phase by 120° in the first direction DR1.
  • the first current may be a U-phase AC current
  • the second current may be a V-phase AC current
  • the third current may be a W-phase AC current.
  • the first magnetic detection element 20A is aligned with the first bus bar 10A in the third direction DR3.
  • the third direction DR3 is a direction perpendicular to both the first direction DR1 and the second direction DR2.
  • the first magnetic detection element 20A is spaced apart from the first bus bar 10A.
  • the first magnetic detection element 20A has a sensitivity axis that faces the second direction DR2 or the opposite direction to the second direction DR2.
  • the second magnetic detection element 20B is aligned with the first bus bar 10A in the third direction DR3.
  • the second magnetic detection element 20B is located on the opposite side of the first bus bar 10A to the first magnetic detection element 20A.
  • the second magnetic detection element 20B is located so that the distance from the first bus bar 10A is equal to the distance between the first bus bar 10A and the first magnetic detection element 20A.
  • the second magnetic detection element 20B is spaced apart from the first bus bar 10A.
  • the second magnetic detection element 20B has a sensitivity axis that faces in the opposite direction to the sensitivity axis of the first magnetic detection element 20A.
  • the third magnetic detection element 20C is aligned with the third bus bar 10C in the third direction DR3.
  • the third magnetic detection element 20C is aligned with the first magnetic detection element 20A in the second direction DR2.
  • the third magnetic detection element 20C is spaced apart from the third bus bar 10C.
  • the third magnetic detection element 20C has a sensitivity axis that faces in the same direction as the sensitivity axis of the first magnetic detection element 20A.
  • the fourth magnetic detection element 20D is aligned with the third bus bar 10C in the third direction DR3.
  • the fourth magnetic detection element 20D is aligned with the second magnetic detection element 20B in the second direction DR2.
  • the fourth magnetic detection element 20D is spaced apart from the third bus bar 10C.
  • the fourth magnetic detection element 20D has a sensitivity axis that faces in the same direction as the sensitivity axis of the second magnetic detection element 20B.
  • no magnetic shielding plates made of a magnetic material with high magnetic permeability or magnetic cores made of a soft magnetic material for collecting magnetic fields are provided between the first bus bar 10A and the second bus bar 10B, between the second bus bar 10B and the third bus bar 10C, between the first magnetic detection element 20A and the second bus bar 10B, between the second magnetic detection element 20B and the second bus bar 10B, between the third magnetic detection element 20C and the second bus bar 10B, or between the fourth magnetic detection element 20D and the second bus bar 10B.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing the configuration of a current sensor according to an embodiment of the present invention, and showing the external magnetic field components applied to each magnetic detection element.
  • the first magnetic detection element 20A outputs a first output value (V 1 ) corresponding to the magnetic field component applied in the second direction DR2.
  • V 1 the first output value
  • the first output value (V 1 ) is output according to the sum of the magnetic field component B 11x (see FIG. 4), the magnetic field component B 21x (see FIG. 5), the magnetic field component B 31x (see FIG. 6), and the external magnetic field component B E1x (see FIG. 7).
  • the magnetic field component B11x is a component of the second direction DR2 (x direction) of the magnetic flux density vector B11 in the first magnetic detection element 20A due to the first magnetic field B1.
  • the magnetic field component B21x is a component of the second direction DR2 (x direction) of the magnetic flux density vector B21 in the first magnetic detection element 20A due to the second magnetic field B2.
  • the magnetic field component B31x is a component of the second direction DR2 (x direction) of the magnetic flux density vector B31 in the first magnetic detection element 20A due to the third magnetic field B3.
  • the external magnetic field component BE1x is a component in the sensitivity axis direction of the first magnetic detection element 20A of the external magnetic field uniformly applied to the first magnetic detection element 20A, the second magnetic detection element 20B, the third magnetic detection element 20C, and the fourth magnetic detection element 20D.
  • the second magnetic detection element 20B outputs a second output value (V 2 ) corresponding to the magnetic field component applied in the second direction DR2.
  • V 2 a second output value corresponding to the magnetic field component applied in the second direction DR2.
  • the second output value (V 2 ) is output according to the sum of the magnetic field component B 12x (see FIG. 4 ), the magnetic field component B 22x (see FIG. 5 ), the magnetic field component B 32x (see FIG. 6 ), and the external magnetic field component B E2x (see FIG. 7 ).
  • the magnetic field component B12x is a component in the second direction DR2 (x direction) of the magnetic flux density vector B12 in the second magnetic detection element 20B due to the first magnetic field B1.
  • the magnetic field component B22x is a component in the second direction DR2 (x direction) of the magnetic flux density vector B22 in the second magnetic detection element 20B due to the second magnetic field B2.
  • the magnetic field component B32x is a component in the second direction DR2 (x direction) of the magnetic flux density vector B32 in the second magnetic detection element 20B due to the third magnetic field B3.
  • the external magnetic field component BE2x is a component in the sensitivity axis direction of the second magnetic detection element 20B of the external magnetic field uniformly applied to the first magnetic detection element 20A, the second magnetic detection element 20B, the third magnetic detection element 20C, and the fourth magnetic detection element 20D.
  • the third magnetic detection element 20C outputs a third output value (V 3 ) corresponding to the magnetic field component applied in the second direction DR2.
  • V 3 the third output value
  • the third output value (V 3 ) is output according to the sum of the magnetic field component B 13x (see FIG. 4 ), the magnetic field component B 23x (see FIG. 5 ), the magnetic field component B 33x (see FIG. 6 ), and the external magnetic field component B E3x (see FIG. 7 ).
  • the magnetic field component B13x is a component of the second direction DR2 (x direction) of the magnetic flux density vector B13 in the third magnetic detection element 20C due to the first magnetic field B1.
  • the magnetic field component B23x is a component of the second direction DR2 (x direction) of the magnetic flux density vector B23 in the third magnetic detection element 20C due to the second magnetic field B2.
  • the magnetic field component B33x is a component of the second direction DR2 (x direction) of the magnetic flux density vector B33 in the third magnetic detection element 20C due to the third magnetic field B3.
  • the external magnetic field component BE3x is a component of the external magnetic field uniformly applied to the first magnetic detection element 20A, the second magnetic detection element 20B, the third magnetic detection element 20C, and the fourth magnetic detection element 20D in the sensitivity axis direction of the third magnetic detection element 20C.
  • the fourth magnetic detection element 20D outputs a fourth output value (V 4 ) corresponding to the magnetic field component applied in the second direction DR2.
  • V 4 a fourth output value corresponding to the magnetic field component applied in the second direction DR2.
  • the fourth output value (V 4 ) is output according to the sum of the magnetic field component B 14x (see FIG. 4 ), the magnetic field component B 24x (see FIG. 5 ), the magnetic field component B 34x (see FIG. 6 ), and the external magnetic field component B E4x (see FIG. 7 ).
  • the magnetic field component B14x is the component in the second direction DR2 (x direction) of the magnetic flux density vector B14 in the fourth magnetic detection element 20D due to the first magnetic field B1.
  • the magnetic field component B24x is the component in the second direction DR2 (x direction) of the magnetic flux density vector B24 in the fourth magnetic detection element 20D due to the second magnetic field B2.
  • the magnetic field component B34x is the component in the second direction DR2 (x direction) of the magnetic flux density vector B34 in the fourth magnetic detection element 20D due to the third magnetic field B3.
  • the external magnetic field component BE4x is the component in the sensitivity axis direction of the fourth magnetic detection element 20D of the external magnetic field uniformly applied to the first magnetic detection element 20A, the second magnetic detection element 20B, the third magnetic detection element 20C, and the fourth magnetic detection element 20D.
  • At least one of the first magnetic detection element 20A, the second magnetic detection element 20B, the third magnetic detection element 20C, and the fourth magnetic detection element 20D may have a circuit consisting of at least two or more magnetic resistance elements.
  • Each of the first magnetic detection element 20A, the second magnetic detection element 20B, the third magnetic detection element 20C, and the fourth magnetic detection element 20D may have a circuit consisting of at least two or more magnetic resistance elements.
  • the circuit consisting of at least two or more magnetic resistance elements may be a half-bridge circuit consisting of two magnetic resistance elements, or a Wheatstone bridge type bridge circuit consisting of four magnetic resistance elements.
  • the magnetoresistance element may be a tunnel magnetoresistance (TMR) element, a giant magnetoresistance (GMR) element, or an anisotropic magnetic resistance (AMR) element.
  • TMR tunnel magnetoresistance
  • GMR giant magnetoresistance
  • AMR anisotropic magnetic resistance
  • At least one of the first magnetic detection element 20A, the second magnetic detection element 20B, the third magnetic detection element 20C, and the fourth magnetic detection element 20D may have a Hall element. Any of the first magnetic detection element 20A, the second magnetic detection element 20B, the third magnetic detection element 20C, and the fourth magnetic detection element 20D may have a Hall element.
  • the first magnetic detection element 20A, the second magnetic detection element 20B, the third magnetic detection element 20C, and the fourth magnetic detection element 20D are, it is preferable that these elements output an output value calculated by multiplying the magnetic field component applied in the second direction DR2 (x-direction) by a similar coefficient.
  • the calculation unit 30 is configured to be able to calculate the current value of the first current ( I1 ), the current value of the second current ( I2 ), and the current value of the third current ( I3 ) based on the first output value ( V1 ), the second output value ( V2 ), the third output value (V3), and the fourth output value (V4), as well as the following equations (1), ( 2 ), and ( 3 ).
  • the first output value (V 1 ) is output according to the sum of the magnetic field components B 11x , B 21x , B 31x (and the external magnetic field component B E1x ), and the second output value (V 2 ) is output according to the sum of the magnetic field components B 12x , B 22x , B 32x (and the external magnetic field component B E2x ), so that (V 1 +V 2 ) can be expanded as in the following formula (4). Therefore, the calculation unit 30 is configured to be able to calculate the current value (I 1 ) of the first current based on the above formula (1).
  • ⁇ is a coefficient
  • b nmx (n is an integer from 1 to 3
  • m is an integer from 1 to 4) is a constant determined in this embodiment by the configurations of the first bus bar 10A, the second bus bar 10B, the third bus bar 10C, the first magnetic detection element 20A, the second magnetic detection element 20B, the third magnetic detection element 20C, and the fourth magnetic detection element 20D.
  • B E1x + B E2x is converted to 0. This conversion is because the sensitivity axis directions of the first magnetic detection element 20A and the second magnetic detection element 20B are opposite to each other, and therefore the external magnetic field component B E1x and the external magnetic field component B E1x have values that are equal in absolute value and reversed in sign. Furthermore, in the above formula (4), ⁇ (b 21x + b 22x )/(b 11x + b 12x ) ⁇ and ⁇ (b 31x + b 32x )/(b 11x + b 12x ) ⁇ are approximated to 0.
  • (b 21x + b 22x ) and (b 31x + b 32x ) are very small values compared to (b 11x + b 12x ). More specifically, the distance between the first and second magnetic detection elements 20A and 20B and the second bus bar 10B (see FIG. 5) and the distance between the first and second magnetic detection elements 20A and 20B and the third bus bar 10C (see FIG. 6) are much smaller than the distance between the first and second magnetic detection elements 20A and 20B and the first bus bar 10A (see FIG. 4). Furthermore, the sensitivity axis directions of the first and second magnetic detection elements 20A and 20B are nearly parallel to the vector direction of the first magnetic field B1 (see FIG. 4) but nearly perpendicular to the vector directions of the second and third magnetic fields B2 and B3 (see FIGS. 5 and 6).
  • the above formula (3) can be expanded in the same manner as the following formula (5): Therefore, the calculation unit 30 is configured to be able to calculate the current value (I 3 ) of the third current based on the above formula (3).
  • B E3x + B E4x is converted to 0. This conversion is because the sensitivity axis directions of the third magnetic detection element 20C and the fourth magnetic detection element 20D are opposite to each other, and therefore the external magnetic field component B E3x and the external magnetic field component B E4x have values that are equal in absolute value and reversed in sign. Furthermore, in the above formula (4), ⁇ (b 23x + b 24x )/(b 33x + b 34x ) ⁇ and ⁇ (b 13x + b 14x )/(b 33x + b 34x ) ⁇ are approximated to 0.
  • ( V1 + V2 + V3 + V4 ) can be expanded based on the above formulas (4) and (5) into the following formula (6) so as to correspond to the following formula (2).
  • the calculation unit 30 is configured to be able to calculate the current value ( I2 ) of the second current based on the above formula (2).
  • circuit configuration of the current sensor 1 according to this embodiment will be described, but the circuit configuration of the current sensor 1 according to this embodiment is not limited to the following configuration.
  • FIG. 8 is a circuit diagram that shows a schematic circuit configuration of a current sensor according to one embodiment of the present invention.
  • the first magnetic detection element 20A, the second magnetic detection element 20B, the third magnetic detection element 20C, and the fourth magnetic detection element 20D each have a Wheatstone bridge type bridge circuit consisting of four tunnel type magnetoresistance elements 21.
  • the detection signal of the first magnetic detection element 20A is outputted as a first voltage signal indicating a first output value (V 1 ) via a first amplifier 22A.
  • the detection signal of the second magnetic detection element 20B is outputted as a second voltage signal indicating a second output value (V 2 ) via a second amplifier 22B.
  • the detection signal of the third magnetic detection element 20C is outputted as a third voltage signal indicating a third output value (V 3 ) via a third amplifier 22C.
  • the detection signal of the fourth magnetic detection element 20D is outputted as a fourth voltage signal indicating a fourth output value (V 4 ) via a fourth amplifier 22D.
  • the first amplifier 22A, the second amplifier 22B, the third amplifier 22C and the fourth amplifier 22D are each constituted by an operational amplifier that performs differential amplification.
  • the calculation unit 30 is an analog circuit configured by connecting circuit elements such as amplifiers, and receives as input a first voltage signal indicating a first output value ( V1 ), a second voltage signal indicating a second output value ( V2 ), a third voltage signal indicating a third output value ( V3 ), and a fourth voltage signal indicating a fourth output value ( V4 ), and outputs a first output voltage signal (V1OUT) corresponding to the current (detected) value ( I1 ) of the first current, a second output voltage signal ( V2OUT ) corresponding to the current (detected) value ( I2 ) of the second current, and a third output voltage signal ( V3OUT ) corresponding to the current (detected) value ( I3 ) of the third current in response to these input signals.
  • Calculation unit 30 has a first summing amplifier 31A, a second summing amplifier 31B, and a third summing amplifier 31C.
  • a first voltage signal indicating a first output value (V 1 ) and a second voltage signal indicating a second output value (V 2 ) are input to first summing amplifier 31A.
  • First summing amplifier 31A outputs a first output voltage signal (V 1OUT ).
  • calculation unit 30 can output the first output voltage signal (V 1OUT ) as a voltage signal corresponding to the current (detected) value (I 1 ) of the first current.
  • the second summing amplifier 31B receives a first voltage signal indicating the first output value ( V1 ), a second voltage signal indicating the second output value ( V2 ), a third voltage signal indicating the third output value ( V3 ), and a fourth voltage signal indicating the fourth output value ( V4 ).
  • the second summing amplifier 31B outputs a second output voltage signal ( V2OUT ).
  • the calculation unit 30 can output the second output voltage signal ( V2OUT ) as a voltage signal corresponding to the current (detected) value ( I2 ) of the second current.
  • a third voltage signal indicating the third output value (V 3 ) and a fourth voltage signal indicating the fourth output value (V 4 ) are input to the third summing amplifier 31C.
  • the third summing amplifier 31C outputs a third output voltage signal (V 3OUT ).
  • the calculation unit 30 can output the third output voltage signal (V 3OUT ) as a voltage signal corresponding to the current (detected) value (I 3 ) of the third current.
  • the calculation unit 30 is configured to be able to calculate the current value (I 1 ) of the first current, the current value (I 2 ) of the second current, and the current value (I 3 ) of the third current based on the above formulas (1), (2), and ( 3 ).
  • the calculation unit 30 can directly output signals corresponding to each current value by three summing amplifiers as described above, and the overall size can be reduced, and in particular, the number of processing stages for outputting a voltage signal corresponding to the current value (I 2 ) of the second current can be reduced, thereby improving responsiveness.
  • the external magnetic field components applied to each magnetic detection element are offset in the process of calculating each current value. Therefore, it is possible to provide a current sensor 1 in which the influence of a uniform external magnetic field is suppressed.
  • 1 current sensor 10A first bus bar, 10B second bus bar, 10C third bus bar, 20A first magnetic detection element, 20B second magnetic detection element, 20C third magnetic detection element, 20D fourth magnetic detection element, 21 tunnel type magnetoresistance element, 22A first amplifier, 22B second amplifier, 22C third amplifier, 22D fourth amplifier, 30 calculation unit, 31A first summing amplifier, 31B second summing amplifier, 31C third summing amplifier.

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Abstract

第１バスバ(１０Ａ)と、第２バスバ(１０Ｂ)と、第３バスバ(１０Ｃ)と、第１磁気検出素子(２０Ａ)と、第２磁気検出素子(２０Ｂ)と、第３磁気検出素子(２０Ｃ)と、第４磁気検出素子(２０Ｄ)と、算出部(３０)とを備えた電流センサにおいて、第１磁気検出素子(２０Ａ)は第１バスバ(１０Ａ)と並び、第２磁気検出素子(２０Ｂ)は、第３方向(ＤＲ３)において第１バスバ(１０Ａ)と並び、かつ、第１バスバ(１０Ａ)から見て第１磁気検出素子(２０Ａ)の反対側に位置して第１磁気検出素子(２０Ａ)の感度軸の方向と反対方向に向いた感度軸を有し、第３磁気検出素子(２０Ｃ)は、第３方向(ＤＲ３)において第３バスバ(１０Ｃ)と並び、第４磁気検出素子(２０Ｄ)は、第３方向(ＤＲ３)において第３バスバ(１０Ｃ)と並び、かつ、、第２方向(ＤＲ２)において第２磁気検出素子(２０Ｂ)と並び、第２磁気検出素子(２０Ｂ)の感度軸の方向と同じ方向を向く感度軸を有し、算出部(３０)は、第１～第４磁気検出素子の各出力第１出力値(Ｖ１)、第２出力値(Ｖ２)、第３出力値(Ｖ３)および第４出力値(Ｖ４)に基づき（Ｖ１＋Ｖ２）∝Ｉ１，（Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３＋Ｖ４）∝Ｉ２、（Ｖ３＋Ｖ４）∝Ｉ３の式により、第１電流の電流値(Ｉ１)、第２電流の電流値(Ｉ２)、および、第３電流の電流値(Ｉ３)を算出する。

Description

電流センサ
　本発明は、電流センサに関する。
　特許文献１（特許第５０６５８８７号公報）には、電流センサが開示されている。当該電流センサにおいては、３相電流の流れる３組のバスバーに、２つのプリント基板が配置されている。２つのプリント基板の各々には、電流測定対象に流れる電流によって生じる磁場を検知する２つのホール素子と、これら２つのホール素子の検知出力を処理して電流測定対象に流れる電流値を算出する信号処理集積回路とが実装されている。平行に配設された３相電流バスバーの両端２相に対して、電流センサの実装された２つのプリント基板が外側から配置されている。また、特許文献１には、２相の電流を測定すれば３相目は計算によって求めることができることが開示されている。
特許第５０６５８８７号公報
　特許文献１においては、４つのホール素子から２つの電流値が算出されている。そして、この２つの電流値に基づいて、さらに残りの１つの電流値が算出されている。このため、特許文献１における信号処理集積回路は全体として、この残り１つの電流値を算出するために、少なくとも直列に接続された２つの信号処理オペアンプ備えることが考えられる。これにより、電流センサの応答性が悪化する可能性がある。
　本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、応答性の向上した電流センサを提供することを目的とする。
　本発明に基づく電流センサは、第１バスバと、第２バスバと、第３バスバと、第１磁気検出素子と、第２磁気検出素子と、第３磁気検出素子と、第４磁気検出素子と、算出部とを備えている。第１バスバは、第１方向に沿って延びている。第２バスバは、第１方向に沿って延び、第１方向に直交する第２方向において第１バスバと並んでいる。第３バスバは、第１方向に沿って延び、第２方向において第２バスバと並び、かつ、第２バスバとの距離が、第１バスバと第２バスバとの距離に等しくなるように位置している。第１磁気検出素子は、第１方向および第２方向の両方に直交する第３方向において第１バスバと並び、第２方向または第２方向の反対方向に向いた感度軸を有し、第２方向に印加された磁界成分に応じた第１出力値（Ｖ１）を出力する。第２磁気検出素子は、第３方向において第１バスバと並び、かつ、第１バスバから見て第１磁気検出素子の反対側において、第１バスバとの距離が、第１バスバと第１磁気検出素子との距離に等しくなるように位置し、第１磁気検出素子の感度軸の方向と反対方向に向いた感度軸を有し、第２方向に印加された磁界成分に応じた第２出力値（Ｖ２）を出力する。第３磁気検出素子は、第３方向において第３バスバと並び、かつ、第２方向において第１磁気検出素子と並び、第１磁気検出素子の感度軸の方向と同じ方向を向く感度軸を有し、第２方向に印加された磁界成分に応じた第３出力値（Ｖ３）を出力する。第４磁気検出素子は、第３方向において第３バスバと並び、かつ、第２方向において第２磁気検出素子と並び、第２磁気検出素子の感度軸の方向と同じ方向を向く感度軸を有し、第２方向に印加された磁界成分に応じた第４出力値（Ｖ４）を出力する。算出部は、第１出力値（Ｖ１）、第２出力値（Ｖ２）、第３出力値（Ｖ３）および第４出力値（Ｖ４）に基づき、第１バスバを第１方向に流れる第１電流の電流値（Ｉ１）、第２バスバを第１方向に流れる第２電流の電流値（Ｉ２）、および、第３バスバを第１方向に流れる第３電流の電流値（Ｉ３）を算出する。第１電流、第２電流、および、第３電流は、三相交流を構成している。算出部は、下記式（１）、式（２）および式（３）に基づき、第１電流の電流値（Ｉ１）、第２電流の電流値（Ｉ２）、および、第３電流の電流値（Ｉ３）を算出可能に構成されている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　本発明によれば、応答性の向上した電流センサを提供できる。
本発明の一実施形態に係る電流センサの構成を一方向から示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る電流センサの構成を他方向から示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る電流センサの構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る電流センサの構成を示し、かつ、第１磁界を模式的に示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る電流センサの構成を示し、かつ、第２磁界を模式的に示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る電流センサの構成を示し、かつ、第３磁界を模式的に示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る電流センサの構成を示し、各々の磁気検出素子に印加される外部磁界成分を模式的に示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る電流センサの回路構成を概略的に示す回路図である。
　以下、本発明の一実施形態に係る電流センサについて図を参照して説明する。以下の実施形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。
　図１は、本発明の一実施形態に係る電流センサの構成を一方向から示す斜視図である。図２は、本発明の一実施形態に係る電流センサの構成を他方向から示す斜視図である。図３は、本発明の一実施形態に係る電流センサの構成を示すブロック図である。図４は、本発明の一実施形態に係る電流センサの構成を示し、かつ、第１磁界を模式的に示す断面図である。
　図１から図４に示すように、本発明の一実施形態に係る電流センサ１は、第１バスバ１０Ａと、第２バスバ１０Ｂと、第３バスバ１０Ｃと、第１磁気検出素子２０Ａと、第２磁気検出素子２０Ｂと、第３磁気検出素子２０Ｃと、第４磁気検出素子２０Ｄと、算出部３０とを備えている。
　図１、図２および図４に示すように、第１バスバ１０Ａは、第１方向ＤＲ１に沿って直線状に延びている。
　第１バスバ１０Ａには、第１方向ＤＲ１に第１電流が流れている。第１電流は、交流電流である。このため、第１方向ＤＲ１における第１電流の電流値（Ｉ１）は、正の値または負の値をとり得る。第１電流が流れた際には、第１磁界Ｂ１が第１バスバ１０Ａの周囲に生じる。
　図５は、本発明の一実施形態に係る電流センサの構成を示し、かつ、第２磁界を模式的に示す断面図である。図１、図２および図５に示すように、第２バスバ１０Ｂは、第１方向ＤＲ１に沿って直線状に延びている。第２バスバ１０Ｂは、第２方向ＤＲ２において第１バスバ１０Ａと並んでいる。第２方向ＤＲ２は、第１方向ＤＲ１に直交する方向である。
　第２バスバ１０Ｂには、第１方向ＤＲ１に第２電流が流れている。第２電流は、交流電流である。このため、第１方向ＤＲ１における第２電流の電流値（Ｉ２）は、正の値または負の値をとり得る。第２電流が流れた際には、第２磁界Ｂ２が第２バスバ１０Ｂの周囲に生じる。
　図６は、本発明の一実施形態に係る電流センサの構成を示し、かつ、第３磁界を模式的に示す断面図である。図１、図２、および図６に示すように、第３バスバ１０Ｃは、第１方向ＤＲ１に沿って直線状に延びている。第３バスバ１０Ｃは、第２方向ＤＲ２において第２バスバ１０Ｂと並んでいる。第３バスバ１０Ｃは、第２バスバ１０Ｂとの距離が、第１バスバ１０Ａと第２バスバ１０Ｂとの距離に等しくなるように位置している。
　第３バスバ１０Ｃには、第１方向ＤＲ１に第３電流が流れている。第３電流は、交流電流である。このため、第１方向ＤＲ１における第３電流の電流値（Ｉ３）は、正の値または負の値をとり得る。第３電流が流れた際には、第３磁界Ｂ３が第３バスバ１０Ｃの周囲に生じる。
　第１バスバ１０Ａ、第２バスバ１０Ｂおよび第３バスバ１０Ｃは、３相３線式のバスバである。第１電流、第２電流、および、第３電流は、三相交流を構成している。第１電流、第２電流、および、第３電流は、第１方向ＤＲ１において、振幅が等しく互いに位相が１２０°ずつずれた交流電流を構成している。すなわち、第１バスバ１０Ａを第１方向ＤＲ１に流れる第１電流の電流値（Ｉ１）、第２バスバ１０Ｂを第１方向ＤＲ１に流れる第２電流の電流値（Ｉ２）、および、第３バスバ１０Ｃを第１方向ＤＲ１に流れる第３電流の電流値（Ｉ３）においては、Ｉ１＋Ｉ２＋Ｉ３＝０の関係が成立している。たとえば、第１電流がＵ相の交流電流、第２電流がＶ相の交流電流、第３電流がＷ相の交流電流であってもよい。
　図２、図４～図６に示すように、第１磁気検出素子２０Ａは、第３方向ＤＲ３において第１バスバ１０Ａと並んでいる。第３方向ＤＲ３は、第１方向ＤＲ１および第２方向ＤＲ２の両方に直交する方向である。第１磁気検出素子２０Ａは、第１バスバ１０Ａと離隔している。第１磁気検出素子２０Ａは、第２方向ＤＲ２または第２方向ＤＲ２の反対方向に向いた感度軸を有している。
　図１、図４～図６に示すように、第２磁気検出素子２０Ｂは、第３方向ＤＲ３において第１バスバ１０Ａと並んでいる。第２磁気検出素子２０Ｂは、第１バスバ１０Ａから見て第１磁気検出素子２０Ａの反対側に位置している。第２磁気検出素子２０Ｂは、第１バスバ１０Ａとの距離が、第１バスバ１０Ａと第１磁気検出素子２０Ａとの距離に等しくなるように位置している。第２磁気検出素子２０Ｂは、第１バスバ１０Ａと離隔している。第２磁気検出素子２０Ｂは、第１磁気検出素子２０Ａの感度軸の方向と反対方向に向いた感度軸を有している。
　図２、図４～図６に示すように、第３磁気検出素子２０Ｃは、第３方向ＤＲ３において第３バスバ１０Ｃと並んでいる。第３磁気検出素子２０Ｃは、第２方向ＤＲ２において第１磁気検出素子２０Ａと並んでいる。第３磁気検出素子２０Ｃは、第３バスバ１０Ｃと離隔している。第３磁気検出素子２０Ｃは、第１磁気検出素子２０Ａの感度軸の方向と同じ方向を向く感度軸を有している。
　図１、図４～図６に示すように、第４磁気検出素子２０Ｄは、第３方向ＤＲ３において第３バスバ１０Ｃと並んでいる。第４磁気検出素子２０Ｄは、第２方向ＤＲ２において第２磁気検出素子２０Ｂと並んでいる。第４磁気検出素子２０Ｄは、第３バスバ１０Ｃと離隔している。第４磁気検出素子２０Ｄは、第２磁気検出素子２０Ｂの感度軸の方向と同じ方向を向く感度軸を有している。
　なお、本実施形態においては、第１バスバ１０Ａと第２バスバ１０Ｂとの間、第２バスバ１０Ｂと第３バスバ１０Ｃとの間、第１磁気検出素子２０Ａと第２バスバ１０Ｂとの間、第２磁気検出素子２０Ｂと第２バスバ１０Ｂとの間、第３磁気検出素子２０Ｃと第２バスバ１０Ｂとの間、第４磁気検出素子２０Ｄと第２バスバ１０Ｂとの間には、透磁率の高い磁性材料などからなる磁気遮蔽板、および、磁場を集磁するための柔磁性体などからなる磁性体コアは設けられていない。これにより、本実施形態に係る電流センサ１は、全体のサイズを小型化できる。
　次に、各磁気検出素子に印加される磁界成分について説明する。図７は、本発明の一実施形態に係る電流センサの構成を示し、各々の磁気検出素子に印加される外部磁界成分を模式的に示す断面図である。第１磁気検出素子２０Ａは、第２方向ＤＲ２に印加された磁界成分に応じた第１出力値（Ｖ１）を出力する。本実施形態においては、上述のように各磁気検出素子の間および各バスバの間に、磁気遮蔽板および磁性体コアが設けられていない。このため、第１出力値（Ｖ１）は、磁界成分Ｂ１１ｘ（図４参照）と、磁界成分Ｂ２１ｘ（図５参照）と、磁界成分Ｂ３１ｘ（図６参照）と、外部磁界成分ＢＥ１ｘ（図７参照）との和に応じて出力される。
　磁界成分Ｂ１１ｘは、第１磁界Ｂ１による、第１磁気検出素子２０Ａにおける磁束密度ベクトルＢ１１の第２方向ＤＲ２（ｘ方向）の成分である。磁界成分Ｂ２１ｘは、第２磁界Ｂ２による、第１磁気検出素子２０Ａにおける磁束密度ベクトルＢ２１の第２方向ＤＲ２（ｘ方向）の成分である。磁界成分Ｂ３１ｘは、第３磁界Ｂ３による、第１磁気検出素子２０Ａにおける磁束密度ベクトルＢ３１の第２方向ＤＲ２（ｘ方向）の成分である。外部磁界成分ＢＥ１ｘは、第１磁気検出素子２０Ａ、第２磁気検出素子２０Ｂ、第３磁気検出素子２０Ｃ、および、第４磁気検出素子２０Ｄに一様に印加される外部磁界の、第１磁気検出素子２０Ａの感度軸方向における成分である。
　第２磁気検出素子２０Ｂは、第２方向ＤＲ２に印加された磁界成分に応じた第２出力値（Ｖ２）を出力する。本実施形態においては、上述のように各磁気検出素子の間および各バスバの間に、磁気遮蔽板および磁性体コアが設けられていない。このため、第２出力値（Ｖ２）は、磁界成分Ｂ１２ｘ（図４参照）と、磁界成分Ｂ２２ｘ（図５参照）と、磁界成分Ｂ３２ｘ（図６参照）と、外部磁界成分ＢＥ２ｘ（図７参照）との和に応じて出力される。
　磁界成分Ｂ１２ｘは、第１磁界Ｂ１による、第２磁気検出素子２０Ｂにおける磁束密度ベクトルＢ１２の第２方向ＤＲ２（ｘ方向）の成分である。磁界成分Ｂ２２ｘは、第２磁界Ｂ２による、第２磁気検出素子２０Ｂにおける磁束密度ベクトルＢ２２の第２方向ＤＲ２（ｘ方向）の成分である。磁界成分Ｂ３２ｘは、第３磁界Ｂ３による、第２磁気検出素子２０Ｂにおける磁束密度ベクトルＢ３２の第２方向ＤＲ２（ｘ方向）の成分である。外部磁界成分ＢＥ２ｘは、第１磁気検出素子２０Ａ、第２磁気検出素子２０Ｂ、第３磁気検出素子２０Ｃ、および、第４磁気検出素子２０Ｄに一様に印加される外部磁界の、第２磁気検出素子２０Ｂの感度軸方向における成分である。
　第３磁気検出素子２０Ｃは、第２方向ＤＲ２に印加された磁界成分に応じた第３出力値（Ｖ３）を出力する。本実施形態においては、上述のように各磁気検出素子の間および各バスバの間に、磁気遮蔽板および磁性体コアが設けられていない。このため、第３出力値（Ｖ３）は、磁界成分Ｂ１３ｘ（図４参照）と、磁界成分Ｂ２３ｘ（図５参照）と、磁界成分Ｂ３３ｘ（図６参照）と、外部磁界成分ＢＥ３ｘ（図７参照）との和に応じて出力される。
　磁界成分Ｂ１３ｘは、第１磁界Ｂ１による、第３磁気検出素子２０Ｃにおける磁束密度ベクトルＢ１３の第２方向ＤＲ２（ｘ方向）の成分である。磁界成分Ｂ２３ｘは、第２磁界Ｂ２による、第３磁気検出素子２０Ｃにおける磁束密度ベクトルＢ２３の第２方向ＤＲ２（ｘ方向）の成分である。磁界成分Ｂ３３ｘは、第３磁界Ｂ３による、第３磁気検出素子２０Ｃにおける磁束密度ベクトルＢ３３の第２方向ＤＲ２（ｘ方向）の成分である。外部磁界成分ＢＥ３ｘは、第１磁気検出素子２０Ａ、第２磁気検出素子２０Ｂ、第３磁気検出素子２０Ｃ、および、第４磁気検出素子２０Ｄに一様に印加される外部磁界の、第３磁気検出素子２０Ｃの感度軸方向における成分である。
　第４磁気検出素子２０Ｄは、第２方向ＤＲ２に印加された磁界成分に応じた第４出力値（Ｖ４）を出力する。本実施形態においては、上述のように各磁気検出素子の間および各バスバの間に、磁気遮蔽板および磁性体コアが設けられていない。このため、第４出力値（Ｖ４）は、磁界成分Ｂ１４ｘ（図４参照）と、磁界成分Ｂ２４ｘ（図５参照）と、磁界成分Ｂ３４ｘ（図６参照）と、外部磁界成分ＢＥ４ｘ（図７参照）との和に応じて出力される。
　磁界成分Ｂ１４ｘは、第１磁界Ｂ１による、第４磁気検出素子２０Ｄにおける磁束密度ベクトルＢ１４の第２方向ＤＲ２（ｘ方向）の成分である。磁界成分Ｂ２４ｘは、第２磁界Ｂ２による、第４磁気検出素子２０Ｄにおける磁束密度ベクトルＢ２４の第２方向ＤＲ２（ｘ方向）の成分である。磁界成分Ｂ３４ｘは、第３磁界Ｂ３による、第４磁気検出素子２０Ｄにおける磁束密度ベクトルＢ３４の第２方向ＤＲ２（ｘ方向）の成分である。外部磁界成分ＢＥ４ｘは、第１磁気検出素子２０Ａ、第２磁気検出素子２０Ｂ、第３磁気検出素子２０Ｃ、および、第４磁気検出素子２０Ｄに一様に印加される外部磁界の、第４磁気検出素子２０Ｄの感度軸方向における成分である。
　第１磁気検出素子２０Ａ、第２磁気検出素子２０Ｂ、第３磁気検出素子２０Ｃおよび第４磁気検出素子２０Ｄの少なくとも１つは、少なくとも２つ以上の磁気抵抗素子からなる回路を有していてもよい。第１磁気検出素子２０Ａ、第２磁気検出素子２０Ｂ、第３磁気検出素子２０Ｃおよび第４磁気検出素子２０Ｄの各々のいずれもが、少なくとも２つ以上の磁気抵抗素子からなる回路を有していてもよい。少なくとも２つ以上の磁気抵抗素子からなる回路は、２つの磁気抵抗素子からなるハーフブリッジ回路であってもよいし、４つの磁気抵抗素子からなるホイートストンブリッジ型のブリッジ回路であってもよい。
　また、上記磁気抵抗素子は、トンネル型磁気抵抗(Tunnel　Magneto　Resistance(ＴＭＲ))素子、巨大磁気抵抗(Giant　Magneto　Resistance(ＧＭＲ))素子、または、異方性磁気抵抗(Anisotropic　Magnetic　Resistance(ＡＭＲ))素子のいずれであってもよい。
　第１磁気検出素子２０Ａ、第２磁気検出素子２０Ｂ、第３磁気検出素子２０Ｃおよび第４磁気検出素子２０Ｄのうちの少なくとも１つが、ホール素子を有してもよい。第１磁気検出素子２０Ａ、第２磁気検出素子２０Ｂ、第３磁気検出素子２０Ｃおよび第４磁気検出素子２０Ｄの各々のいずれもが、ホール素子を有してもよい。
　ただし、第１磁気検出素子２０Ａ、第２磁気検出素子２０Ｂ、第３磁気検出素子２０Ｃおよび第４磁気検出素子２０Ｄがどのような種類の素子であっても、これらの素子は、第２方向ＤＲ２（ｘ方向）に印加された磁界成分に対して同様の係数を乗じることで算出される出力値を出力することが好ましい。
　算出部３０は、第１出力値（Ｖ１）、第２出力値（Ｖ２）、第３出力値（Ｖ３）および第４出力値（Ｖ４）、ならびに、下記式（１）、式（２）および式（３）に基づき、第１電流の電流値（Ｉ１）、第２電流の電流値（Ｉ２）、および、第３電流の電流値（Ｉ３）を算出可能に構成されている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　まず、上記式（１）について説明する。上述したように、第１出力値（Ｖ１）は、磁界成分Ｂ１１ｘと、磁界成分Ｂ２１ｘと、磁界成分Ｂ３１ｘ（と、外部磁界成分ＢＥ１ｘとの和に応じて出力され、第２出力値（Ｖ２）は、磁界成分Ｂ１２ｘと、磁界成分Ｂ２２ｘと、磁界成分Ｂ３２ｘと、外部磁界成分ＢＥ２ｘとの和に応じて出力されるため、（Ｖ１＋Ｖ２）は、下記式（４）のように展開することができる。よって、算出部３０は、上記式（１）に基づいて、第１電流の電流値（Ｉ１）を算出可能に構成される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　なお、上記式（４）（および後述する式（５）および式（６））において、αは係数であり、ｂｎｍｘ（ｎは１から３の整数、ｍは１から４の整数）は、本実施形態において、第１バスバ１０Ａ、第２バスバ１０Ｂ、第３バスバ１０Ｃ、第１磁気検出素子２０Ａ、第２磁気検出素子２０Ｂ、第３磁気検出素子２０Ｃおよび、第４磁気検出素子２０Ｄの構成によって定まる定数である。
　上記式（４）においては、ＢＥ１ｘ＋ＢＥ２ｘが、０に変換されている。この変換は、第１磁気検出素子２０Ａおよび第２磁気検出素子２０Ｂの感度軸方向が互いに反対方向を向いており、これにより、外部磁界成分ＢＥ１ｘおよび外部磁界成分ＢＥ１ｘが、互いに絶対値の等しい値であって、正負が逆転している値をとるためである。さらに、上記式（４）においては、｛（ｂ２１ｘ＋ｂ２２ｘ）／（ｂ１１ｘ＋ｂ１２ｘ）｝および｛（ｂ３１ｘ＋ｂ３２ｘ）／（ｂ１１ｘ＋ｂ１２ｘ）｝が０に近似されている。これは、（ｂ１１ｘ＋ｂ１２ｘ）と比較して、（ｂ２１ｘ＋ｂ２２ｘ）および（ｂ３１ｘ＋ｂ３２ｘ）が非常に小さい値となるからである。より具体的には、第１磁気検出素子２０Ａおよび第２磁気検出素子２０Ｂと第２バスバ１０Ｂとの距離（図５参照）、および、第１磁気検出素子２０Ａおよび第２磁気検出素子２０Ｂと第３バスバ１０Ｃとの距離（図６参照）は、第１磁気検出素子２０Ａおよび第２磁気検出素子２０Ｂと第１バスバ１０Ａとの距離（図４参照）と比較して非常に小さいからである。さらには、第１磁気検出素子２０Ａおよび第２磁気検出素子２０Ｂの感度軸方向は、第１磁界Ｂ１のベクトルの向きに対して平行に近いが（図４参照）、第２磁界Ｂ２および第３磁界Ｂ３の各々のベクトルの向きに対しては直交に近くなる（図５および図６参照）からである。
　さらに、上記式（３）も同様にして、下記式（５）のように展開することができる。このため、算出部３０は、上記式（３）に基づいて、第３電流の電流値（Ｉ３）を算出可能に構成される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　上記式（５）においては、ＢＥ３ｘ＋ＢＥ４ｘが、０に変換されている。この変換は、第３磁気検出素子２０Ｃおよび第４磁気検出素子２０Ｄの感度軸方向が互いに反対方向を向いており、これにより、外部磁界成分ＢＥ３ｘおよび外部磁界成分ＢＥ４ｘが、互いに絶対値の等しい値であって、正負が逆転している値をとるためである。さらに、上記式（４）においては、｛（ｂ２３ｘ＋ｂ２４ｘ）／（ｂ３３ｘ＋ｂ３４ｘ）｝および｛（ｂ１３ｘ＋ｂ１４ｘ）／（ｂ３３ｘ＋ｂ３４ｘ）｝が０に近似されている。これは、（ｂ３３ｘ＋ｂ３４ｘ）と比較して、（ｂ２３ｘ＋ｂ２４ｘ）および（ｂ１３ｘ＋ｂ１４ｘ）が非常に小さい値となるからである。より具体的には、第３磁気検出素子２０Ｃおよび第４磁気検出素子２０Ｄと第２バスバ１０Ｂとの距離（図５参照）、および、第３磁気検出素子２０Ｃおよび第４磁気検出素子２０Ｄと第１バスバ１０Ａとの距離（図４参照）は、第３磁気検出素子２０Ｃおよび第４磁気検出素子２０Ｄと第１バスバ１０Ａとの距離（図４参照）と比較して非常に小さいからである。さらには、第３磁気検出素子２０Ｃおよび第４磁気検出素子２０Ｄの感度軸方向は、第３磁界Ｂ３のベクトルの向きに対して平行に近いが（図６参照）、第２磁界Ｂ２および第１磁界Ｂ１の各々のベクトルの向きに対しては直交に近くなる（図５および図４参照）からである。
　ここで、図４および図６に示すように、各磁気検出素子および第１バスバ１０Ａおよび第３バスバ１０Ｃが上述の位置関係にあり、かつ、第１バスバ１０Ａおよび第３バスバ１０Ｃの感度軸の方向が上述の方向であることにより、ｂ１１ｘ、ｂ１２ｘ、ｂ３３ｘ、ｂ３４ｘの値は、互いに等しくなる。
　したがって、下記式（２）に対応するように、（Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３＋Ｖ４）は、上記式（４）および（５）に基づいて下記式（６）のように展開することができる。よって、算出部３０は、上記式（２）に基づいて、第２電流の電流値（Ｉ２）を算出可能に構成される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　なお、上記式（６）においては、Ｉ１＋Ｉ３が、－Ｉ２に変換されている。この変換が可能となるのは、上述したようにＩ１＋Ｉ２＋Ｉ３＝０の関係が成立しているためである。
　次に、本実施形態に係る電流センサ１の回路構成を説明するが、本実施形態に係る電流センサ１の回路構成は、以下の構成に限定されない。
　図８は、本発明の一実施形態に係る電流センサの回路構成を概略的に示す回路図である。図８に示すように、本実施形態において、第１磁気検出素子２０Ａ、第２磁気検出素子２０Ｂ、第３磁気検出素子２０Ｃおよび第４磁気検出素子２０Ｄは、それぞれ、４つのトンネル型磁気抵抗素子２１からなるホイートストンブリッジ型のブリッジ回路を有する。
　第１磁気検出素子２０Ａの検出信号は、第１アンプ２２Ａを介して、第１出力値（Ｖ１）を示す第１電圧信号として出力される。第２磁気検出素子２０Ｂの検出信号は、第２アンプ２２Ｂを介して、第２出力値（Ｖ２）を示す第２電圧信号として出力される。第３磁気検出素子２０Ｃの検出信号は、第３アンプ２２Ｃを介して、第３出力値（Ｖ３）を示す第３電圧信号として出力される。第４磁気検出素子２０Ｄの検出信号は、第４アンプ２２Ｄを介して、第４出力値（Ｖ４）を示す第４電圧信号として出力される。第１アンプ２２Ａ、第２アンプ２２Ｂ、第３アンプ２２Ｃおよび第４アンプ２２Ｄは、それぞれ、差動増幅をするオペアンプにより構成される。
　算出部３０は、アンプ等の回路素子を接続して構成されるアナログ回路であり、第１出力値（Ｖ１）を示す第１電圧信号、第２出力値（Ｖ２）を示す第２電圧信号、第３出力値（Ｖ３）を示す第３電圧信号、第４出力値（Ｖ４）を示す第４電圧信号が入力され、これらの入力信号に応じて、第１電流の電流（検出）値（Ｉ１）に対応する第１出力電圧信号（Ｖ１ＯＵＴ）、第２電流の電流（検出）値（Ｉ２）に対応する第２出力電圧信号（Ｖ２ＯＵＴ）、第３電流の電流（検出）値（Ｉ３）に対応する第３出力電圧信号（Ｖ３ＯＵＴ）を出力する。
　算出部３０は、第１加算増幅器３１Ａ、第２加算増幅器３１Ｂ、および、第３加算増幅器３１Ｃを有する。第１加算増幅器３１Ａには、第１出力値（Ｖ１）を示す第１電圧信号および第２出力値（Ｖ２）を示す第２電圧信号が入力される。第１加算増幅器３１Ａは、第１出力電圧信号（Ｖ１ＯＵＴ）を出力する。ここで、本実施形態においては、上記式（１）が成立するため、算出部３０は、第１出力電圧信号（Ｖ１ＯＵＴ）を、第１電流の電流（検出）値（Ｉ１）に対応する電圧信号として出力することができる。
　第２加算増幅器３１Ｂには、第１出力値（Ｖ１）を示す第１電圧信号、第２出力値（Ｖ２）を示す第２電圧信号、第３出力値（Ｖ３）を示す第３電圧信号、および、第４出力値（Ｖ４）を示す第４電圧信号が入力される。第２加算増幅器３１Ｂは、第２出力電圧信号（Ｖ２ＯＵＴ）を出力する。ここで、本実施形態においては、上記式（２）が成立するため、算出部３０は、第２出力電圧信号（Ｖ２ＯＵＴ）を、第２電流の電流（検出）値（Ｉ２）に対応する電圧信号として出力することができる。
　第３加算増幅器３１Ｃには、第３出力値（Ｖ３）を示す第３電圧信号および第４出力値（Ｖ４）を示す第４電圧信号が入力される。第３加算増幅器３１Ｃは、第３出力電圧信号（Ｖ３ＯＵＴ）を出力する。ここで、本実施形態においては、上記式（３）が成立するため、算出部３０は、第３出力電圧信号（Ｖ３ＯＵＴ）を、第３電流の電流（検出）値（Ｉ３）に対応する電圧信号として出力することができる。
　以上説明したように、本実施形態に係る電流センサ１においては、算出部３０が、上記式（１）、式（２）および式（３）に基づき、第１電流の電流値（Ｉ１）、第２電流の電流値（Ｉ２）、および、第３電流の電流値（Ｉ３）を算出可能に構成されている。これにより、本実施形態に係る電流センサ１においては、たとえば上述のように算出部３０を３つの加算増幅器によって各電流値に対応する信号を直接に出力することが可能になり、全体のサイズが小型化され、特に、第２電流の電流値（Ｉ２）に対応する電圧信号を出力するための処理段数が少なくなることで応答性が向上し得る。さらには、上記式（４）～（６）に示されるように、各磁気検出素子に印加される外部磁界成分は、各電流値の算出の過程において相殺される。よって、一様な外部磁場の影響が抑制された、電流センサ１を提供できる。
　上述した実施形態の説明において、組み合わせ可能な構成を相互に組み合わせてもよい。
　今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　１　電流センサ、１０Ａ　第１バスバ、１０Ｂ　第２バスバ、１０Ｃ　第３バスバ、２０Ａ　第１磁気検出素子、２０Ｂ　第２磁気検出素子、２０Ｃ　第３磁気検出素子、２０Ｄ　第４磁気検出素子、２１　トンネル型磁気抵抗素子、２２Ａ　第１アンプ、２２Ｂ　第２アンプ、２２Ｃ　第３アンプ、２２Ｄ　第４アンプ、３０　算出部、３１Ａ　第１加算増幅器、３１Ｂ　第２加算増幅器、３１Ｃ　第３加算増幅器。

Claims (5)

  1. 　第１方向に沿って延びる第１バスバと、
    　前記第１方向に沿って延び、前記第１方向に直交する第２方向において前記第１バスバと並ぶ第２バスバと、
    　前記第１方向に沿って延び、前記第２方向において前記第２バスバと並び、かつ、前記第２バスバとの距離が、前記第１バスバと前記第２バスバとの距離に等しくなるように位置する、第３バスバと、
    　前記第１方向および前記第２方向の両方に直交する第３方向において前記第１バスバと並び、前記第２方向または前記第２方向の反対方向に向いた感度軸を有し、前記第２方向に印加された磁界成分に応じた第１出力値（Ｖ１）を出力する、第１磁気検出素子と、
    　前記第３方向において前記第１バスバと並び、かつ、前記第１バスバから見て前記第１磁気検出素子の反対側において、前記第１バスバとの距離が、前記第１バスバと前記第１磁気検出素子との距離に等しくなるように位置し、前記第１磁気検出素子の感度軸の方向と反対方向に向いた感度軸を有し、前記第２方向に印加された磁界成分に応じた第２出力値（Ｖ２）を出力する、第２磁気検出素子と、
    　前記第３方向において前記第３バスバと並び、かつ、前記第２方向において前記第１磁気検出素子と並び、前記第１磁気検出素子の感度軸の方向と同じ方向を向く感度軸を有し、前記第２方向に印加された磁界成分に応じた第３出力値（Ｖ３）を出力する、第３磁気検出素子と、
    　前記第３方向において前記第３バスバと並び、かつ、前記第２方向において前記第２磁気検出素子と並び、前記第２磁気検出素子の感度軸の方向と同じ方向を向く感度軸を有し、前記第２方向に印加された磁界成分に応じた第４出力値（Ｖ４）を出力する、第４磁気検出素子と、
    　前記第１出力値（Ｖ１）、前記第２出力値（Ｖ２）、前記第３出力値（Ｖ３）および前記第４出力値（Ｖ４）に基づき、前記第１バスバを前記第１方向に流れる第１電流の電流値（Ｉ１）、前記第２バスバを前記第１方向に流れる第２電流の電流値（Ｉ２）、および、前記第３バスバを前記第１方向に流れる第３電流の電流値（Ｉ３）を算出する算出部とを備え、
    　前記第１電流、前記第２電流、および、前記第３電流は、三相交流を構成しており、
    　前記算出部は、下記式（１）、式（２）および式（３）
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
    に基づき、前記第１電流の電流値（Ｉ１）、前記第２電流の電流値（Ｉ２）、および、前記第３電流の電流値（Ｉ３）を算出可能に構成されている、電流センサ。
  2. 　前記第１磁気検出素子、前記第２磁気検出素子、前記第３磁気検出素子および前記第４磁気検出素子のうちの少なくとも１つが、少なくとも２つ以上のトンネル型磁気抵抗素子からなる回路を有する、請求項１に記載の電流センサ。
  3. 　前記第１磁気検出素子、前記第２磁気検出素子、前記第３磁気検出素子および前記第４磁気検出素子のうちの少なくとも１つが、少なくとも２つ以上の巨大磁気抵抗素子からなる回路を有する、請求項１に記載の電流センサ。
  4. 　前記第１磁気検出素子、前記第２磁気検出素子、前記第３磁気検出素子および前記第４磁気検出素子のうちの少なくとも１つが、少なくとも２つ以上の異方性磁気抵抗素子からなる回路を有する、請求項１に記載の電流センサ。
  5. 　前記第１磁気検出素子、前記第２磁気検出素子、前記第３磁気検出素子および前記第４磁気検出素子のうちの少なくとも１つが、ホール素子を有する、請求項１に記載の電流センサ。
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