CN107110897A - 电流传感器 - Google Patents

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Abstract

电流传感器具备：初级导体(110)；多个磁传感器(120a、120b)，包含至少一个磁阻效应元件，对由于流过初级导体(110)的交流电流而产生的磁场的强度进行检测；和控制部(130)，分别电连接于多个磁传感器(120a、120b)。控制部(130)基于多个磁传感器(120a、120b)各自的中点电位来判断有无外部磁场。

Description

电流传感器
技术领域
本发明涉及电流传感器，特别地，涉及电气测量仪中的电量的计量中使用的电流传感器。
背景技术
作为公开了具有磁阻效应元件的电流传感器的在先文献，存在JP特开2014-169952号公报(专利文献1)、JP特开昭62-110165号公报(专利文献2)、JP特开昭64-74457号公报(专利文献3)、JP特开2014-55791号公报(专利文献4)、JP特开2013-196861号公报(专利文献5)。
专利文献1中所述的电流传感器具有：向负载提供电流的交流电源；电阻值基于随着流过负载的电流而变化的磁场进行变化的磁阻效应元件；向磁阻效应元件提供电流的电流源；和检测并输出磁阻效应元件的两端子的电位差的最大值以及最小值的检测输出电路，基于最大值以及最小值，检测流过负载的电流。
专利文献2中所述的电力计具有磁耦合关系以使得感知通过电力提供导体的电流的大小，具有与电力提供导体相邻并在物理上被安装的电流感知装置。
专利文献3中所述的电力计具有电桥连接的磁阻效应元件群，磁阻效应元件群中的至少一个磁阻效应元件被配置为由于磁场产生单元产生的磁场而导致电阻值发生变化。
专利文献4中所述的电流传感器具备：具有U字形状的电流路、和检测磁场的多个磁阻效应元件。
专利文献5中所述的电流检测装置在对通过电源电缆来输入电流的一对输入端子进行保持的端子保持部的后方，设置作为绝缘部的分隔部件。在分隔部件的上表面一侧，配置将一对输入端子和一对输出端子连接的电流路。在分隔部件的底面侧，配置对从电流路产生的磁场进行检测的磁检测元件。
上述那样的电流传感器被用于混合动力车或者电动车等汽车以及工业用设备中的逆变器控制、发电装置中的过电流保护、以及电气测量仪中的电量的计量等。
电气测量仪可能由于外部磁场而被篡改。作为公开了用于发现这种不正常的、测量仪的磁篡改检测方法的在先文献，存在JP特开2012-108128号公报(专利文献6)、美国专利第7,218,223号说明书(专利文献7)。
专利文献6中所述的测量仪的磁篡改检测方法使用磁场强度传感器来连续地检测测量仪的附近的磁场强度。磁场强度传感器产生与检测到的磁场强度成比例的模拟电压信号。磁场强度传感器的模拟电压信号被连续地变换为数字电压信号。数字电压信号以间歇方式被保存于存储器内，针对数字电压信号，监视有无表示测量仪的篡改的偏离。若检测到篡改，则用于表示篡改的报警被触发。
专利文献7中所述的测量仪的磁篡改检测方法将多个磁场检测装置与测量仪接近配置。在检测到的磁场的输出电压超过规定的阈值时，产生磁现象信号。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开2014-169952号公报
专利文献2：JP特开昭62-110165号公报
专利文献3：JP特开昭64-74457号公报
专利文献4：JP特开2014-55791号公报
专利文献5：JP特开2013-196861号公报
专利文献6：JP特开2012-108128号公报
专利文献7：美国专利第7,218,223号说明书
发明内容
-发明要解决的课题-
以往，在电气测量仪中，为了进行基于外部磁场的测量仪篡改的检测和电量的计量这两者，检测外部磁场的磁传感器、和通过检测计量电流来计量电量的电流传感器这两个被搭载于电气测量仪。因此，难以实现能够执行基于外部磁场的测量仪篡改的检测和电量的计量这两者的电气测量仪的小型化以及低成本化。
本发明鉴于上述的问题点而作出，其目的在于，提供一种能够实现能够执行基于外部磁场的测量仪篡改的检测和电量的计量这两者的电气测量仪的小型化以及低成本化的电流传感器。
-解决课题的手段-
基于本发明的电流传感器具备：初级导体；多个磁传感器，包含至少一个磁阻效应元件，对由于流过初级导体的交流电流而产生的磁场的强度进行检测；和控制部，分别电连接于多个所述磁传感器。控制部基于多个磁传感器各自的中点电位来判断有无外部磁场。
在本发明的一方式中，控制部包含存储部和判断部。
在本发明的一方式中，存储部存储第1阈值、以及无外部磁场时的所述中点电位的值。判断部在被输入到控制部的多个磁传感器之中的至少一个磁传感器的中点电位的信号波形的中心值与无外部磁场时的所述中点电位的值之差的绝对值为第1阈值以上的情况下判断为存在外部磁场。
在本发明的一方式中，存储部存储第2阈值。判断部在被输入到控制部的多个磁传感器之中的至少2个磁传感器的中点电位的信号波形的中心值彼此之差的绝对值为第2阈值以上的情况下判断为存在外部磁场。
在本发明的一方式中，存储部存储第3阈值。判断部在被输入到控制部的多个磁传感器之中的至少一个磁传感器的中点电位的最大值的绝对值以及最小值的绝对值的至少任意一个为第3阈值以上的情况下判断为存在外部磁场。
-发明效果-
根据本发明，能够实现能够执行基于外部磁场的测量仪篡改的检测和电量的计量这两者的电气测量仪的小型化以及低成本化。
附图说明
图1是表示本发明的一实施方式所涉及的电流传感器的构成的俯视图。
图2是表示本发明的一实施方式所涉及的电流传感器所具备的磁传感器的构成的框图。
图3是表示本发明的一实施方式所涉及的电流传感器所具备的磁传感器的构成的俯视图。
图4是表示本发明的一实施方式所涉及的电流传感器的构成的框图。
图5是表示无外部磁场时的第1磁传感器以及第2磁传感器各自的中点电位的假想信号波形和存在外部磁场时的第1磁传感器以及第2磁传感器的任意一个的中点电位的信号波形的图。
图6是表示本发明的一实施方式所涉及的电流传感器中的无外部磁场时的第1磁传感器以及第2磁传感器各自的中点电位的假想信号波形和存在外部磁场时的第1磁传感器以及第2磁传感器各自的中点电位的信号波形的图。
图7是表示本发明的一实施方式所涉及的电流传感器中，磁传感器检测的磁场的强度与磁传感器的输出电压的关系的图。
具体实施方式
以下，参照附图来对本发明的一实施方式所涉及的电流传感器进行说明。在以下的实施方式的说明中，对图中的相同或者相当部分付与相同符号，不重复其说明。
图1是表示本发明的一实施方式所涉及的电流传感器的构成的俯视图。图2是表示本发明的一实施方式所涉及的电流传感器具备的磁传感器的构成的框图。图3是表示本发明的一实施方式所涉及的电流传感器具备的磁传感器的构成的俯视图。图4是表示本发明的一实施方式所涉及的电流传感器的构成的框图。
如图1～4所示，本发明的一实施方式所涉及的电流传感器100具备：初级导体110、包含4个磁阻效应元件R1～R4并对由于流过初级导体110的交流电流而产生的磁场的强度进行检测的2个磁传感器、和分别电连接于2个磁传感器的控制部130。2个磁传感器由第1磁传感器120a以及第2磁传感器120b构成。虽然在本实施方式中，电流传感器100具备2个磁传感器，但并不局限于此，具备至少一个磁传感器即可。
在本实施方式中，初级导体110具有折弯为L字状的平面形状。具体而言，俯视下，弯曲为2个直线部以角度α交叉。角度α约为90°。初级导体110由铜构成。但是，初级导体110的材料并不局限于此，也可以是银、铝等金属或者包含这些金属的合金。初级导体110也可以被实施表面处理。例如，也可以在初级导体110的表面设置由镍、锡、银、铜等金属或者包含这些金属的合金构成的至少1层镀层。
在本实施方式中，通过对薄板进行冲压加工来形成初级导体110。但是，初级导体110的形成方法并不局限于此，也可以通过切削、锻造或者铸造等方法来形成初级导体110。另外，初级导体110的剖面形状并不局限于矩形，也可以是圆形等其他形状。
第1磁传感器120a以及第2磁传感器120b各自的检测轴的方向(磁敏方向)120ax、120bx是初级导体110的宽度方向。也就是说，第1磁传感器120a以及第2磁传感器120b分别能够对正交于初级导体110的厚度方向以及电流流过初级导体110的方向110i这两方的方向的磁场进行检测。
以下，对第1磁传感器120a以及第2磁传感器120b各自的构成详细进行说明。
如图2、3所示，第1磁传感器120a以及第2磁传感器120b分别具有：电压的正输出端子V+、电压的负输出端子V-、电源的正极侧端子Vcc和电源的接地侧端子GND。
第1磁传感器120a以及第2磁传感器120b分别进一步具有构成惠斯登电桥型的电桥电路1的4个磁阻效应元件R1～R4。4个磁阻效应元件R1～R4分别由坡莫合金的薄膜构成。
在本实施方式中，4个磁阻效应元件R1～R4分别是AMR(Anisotropic MagnetoResistance，各向异性磁阻)元件，但也可以取代AMR元件，是GMR(Giant MagnetoResistance，巨磁阻)元件、TMR(Tunnel Magneto Resistance，隧道磁阻)元件、BMR(Balistic Magneto Resistance，弹道磁阻)元件、CMR(Colossal Magneto Resistance，超巨磁阻)元件等磁阻效应元件。
此外，第1磁传感器120a以及第2磁传感器120b分别也可以具有由2个磁阻元件构成的半桥电路。进一步地，第1磁传感器120a以及第2磁传感器120b分别也可以具有由一个磁阻元件和一个固定电阻构成的半桥电路。
第1磁传感器120a以及第2磁传感器120b分别进一步具有使一组异极彼此对置的2个永久磁铁。2个永久磁铁由第1磁铁2a和第2磁铁2b构成。第1磁铁2a以及第2磁铁2b分别对4个磁阻效应元件R1～R4施加偏置磁场。4个磁阻效应元件R1～R4、第1磁铁2a以及第2磁铁2b分别被固定于一个基板上。
在电桥电路1中，连接于正极侧端子Vcc的正侧电极与连接于接地侧端子GND的接地电极沿着X轴方向排列。连接于正输出端子V+的中点电极与连接于负输出端子V-的中点电极沿着Y轴方向排列。
4个磁阻效应元件R1～R4分别具有曲折形状的图案。在4个磁阻效应元件R1～R4中，磁阻效应元件R1、R4的图案沿着Y轴方向延伸，磁阻效应元件R2、R3的图案沿着X轴方向延伸。磁阻效应元件R1、R4的磁场的最大检测方向是X轴方向，磁阻效应元件R2、R3的磁场的最大检测方向是Y轴方向。
电桥电路1通过薄膜工序形成。具体而言，通过溅射法或者蒸镀法等薄膜形成法，形成成为磁阻效应元件的坡莫合金膜以及成为电极的铜膜或者金膜。在形成的各个膜上，通过光刻法来形成所希望的形状的光掩模。接下来，通过离子铣削等蚀刻法，形成所希望的形状的磁阻效应元件的图案以及电极的图案。
第1磁铁2a以及第2磁铁2b分别通过上述的薄膜工序、或者将磁铁材料成形并组装的块工序而形成。作为磁铁材料，能够使用铁氧体磁铁、SmCo磁铁等Co系磁铁、NdFeB磁铁等Fe系磁铁。
第1磁铁2a以及第2磁铁2b分别被配置为第1磁铁2a以及第2磁铁2b各自的长边方向、即与第1磁铁2a以及第2磁铁2b各自的磁力线的方向垂直的方向交叉于X轴方向。
通过在如上述那样配置的第1磁铁2a与第2磁铁2b之间夹着4个磁阻效应元件R1～R4，能够在X轴方向以及Y轴方向这两个方向对4个磁阻效应元件R1～R4施加偏置磁场。在本实施方式中，在第1磁传感器120a中，基于第1磁铁2a以及第2磁铁2b的磁化方向20a与电流流过初级导体110的方向110i所成的角度β约为30°。在第2磁传感器120b中，基于第1磁铁2a以及第2磁铁2b的磁化方向20b与电流流过初级导体110的方向110i所成的角度β约为30°。另外，磁化方向20a以及磁化方向20b也可以都为相反方向。
通过将Y轴方向的偏置磁场强度设为饱和磁场强度，在没有应检测的外部磁场时，也能够使4个磁阻效应元件R1～R4各自的磁化方向与Y轴方向一致，因此能够抑制磁畴壁的不连续的移动，减少磁滞。
分别电连接于具有上述构成的第1磁传感器120a以及第2磁传感器120b的控制部130包含存储部131和判断部132。存储部131对预先输入的各种信息进行存储。判断部132根据被输入到控制部130的信号和存储于存储部131的信息，判断有无外部磁场以及有无异常。
如图4所示，第1磁传感器120a、第2磁传感器120b以及控制部130被配置在基板150上。在本实施方式中，电流传感器100被配置在基板150上，进一步具有与控制部130电连接的温度传感器140。温度传感器140测定环境温度。另外，温度传感器140也可以不是必须被设置。
基板150被配置在初级导体110形成于上表面的主板160上。在初级导体110的一端侧以及另一端侧，分别连接与电气测量仪的驱动电源线连接的输入布线10和输出布线11。在电气测量仪被驱动的状态下，从输入布线10流入的交流电流即计量电流通过初级导体110并从输出布线11流出。另外，基板150和主板160也可以一体构成。
第1磁传感器120a对交流电流流过初级导体110而在初级导体110的周围产生的磁场110e1的强度进行检测。第2磁传感器120b对交流电流流过初级导体110而在初级导体110的周围产生的磁场110e2的强度进行检测。
在无外部磁场的状态下，第1磁传感器120a的输出电压与第2磁传感器120b的输出电压大致相同。此外，在无外部磁场的状态下，第1磁传感器120a的中点电位与第2磁传感器120b的中点电位大致相同。另外，第1磁传感器120a以及第2磁传感器120b各自的中点电位是从正输出端子V+或者负输出端子V-输出的电压。
以下，对本实施方式所涉及的电流传感器进行电气测量仪中的电量的计量时的动作进行说明。
在存储部131中，存储第1磁传感器120a以及第2磁传感器120b各自的中点电位的值。此外，在存储部131中，存储第1磁传感器120a以及第2磁传感器120b各自的温度特性。具体而言，存储基于环境温度的变化的、第1磁传感器120a以及第2磁传感器120b各自的输出电压的变动图案。
接下来，对本实施方式所涉及的电流传感器进行基于外部磁场的测量仪篡改的检测时的动作进行说明。
在本实施方式中，在存储部131中，存储第1阈值、以及无外部磁场时的上述中点电位的假想信号波形。第1阈值被适当地设定为能够进行基于外部磁场的测量仪篡改的检测。
如上所述，第1磁传感器120a以及第2磁传感器120b各自的中点电位是从正输出端子V+或者负输出端子V-输出的电压。控制部130掌握第1磁传感器120a以及第2磁传感器120b各自的中点电位。
图5是表示无外部磁场时的第1磁传感器以及第2磁传感器各自的中点电位的假想信号波形与存在外部磁场时的第1磁传感器以及第2磁传感器的任意一个的中点电位的信号波形的图。在图5中，纵轴表示磁传感器的中点电位(V)，横轴表示时间(t)。此外，在图5中，通过双点划线来表示无外部磁场时的磁传感器的中点电位的假想信号波形N，通过点划线来表示假想信号波形N的中心值C1，通过实线来表示存在外部磁场时的磁传感器的中点电位的信号波形E1，通过单点划线来表示信号波形E1的中心值C2。
如图5所示，在存在外部磁场时，由于流过初级导体110的电流而产生的磁场与外部磁场叠加，第1磁传感器120a以及第2磁传感器120b各自的中点电位的信号波形从假想信号波形N偏离。
在本实施方式中，判断部132在被输入到控制部130的第1磁传感器120a以及第2磁传感器120b之中的至少一个磁传感器的中点电位的信号波形E1的中心值C2与假想信号波形N的中心值C1之差的绝对值V1为第1阈值以上的情况下判定为存在外部磁场。
这样，控制部130基于第1磁传感器120a以及第2磁传感器120b各自的中点电位来判断有无外部磁场。
在本实施方式中，在存储部131中进一步存储第2阈值。第2阈值被适当地设定为能够进行基于外部磁场的测量仪篡改的检测。
图6是表示本发明的一实施方式所涉及的电流传感器中的、无外部磁场时的第1磁传感器以及第2磁传感器各自的中点电位的假想信号波形与存在外部磁场时的第1磁传感器以及第2磁传感器各自的中点电位的信号波形的图。在图6中，纵轴表示磁传感器的中点电位(V)，横轴表示时间(t)。此外，在图6中，通过双点划线来表示无外部磁场时的磁传感器的中点电位的假想信号波形N，通过单点划线来表示假想信号波形N的中心值C1，通过实线来表示存在外部磁场时的第1磁传感器的中点电位的信号波形E1，通过单点划线来表示信号波形E1的中心值C2，通过实线来表示存在外部磁场时的第2磁传感器的中点电位的信号波形E2，通过单点划线来表示信号波形E2的中心值C3。
如图6所示，在存在外部磁场时，由于流过初级导体110的电流而产生的磁场与外部磁场叠加，第1磁传感器120a以及第2磁传感器120b各自的中点电位的信号波形E1、E2从假想信号波形N偏离。由于分别作用于第1磁传感器120a以及第2磁传感器120b的外部磁场的强度相互不同，因此第1磁传感器120a以及第2磁传感器120b各自的中点电位的信号波形E1、E2从假想信号波形N的偏离方式相互不同。
在本实施方式中，判断部132在被输入到控制部130的1磁传感器120a以及第2磁传感器120b各自的中点电位的信号波形E1、E2的中心值C2与中心值C3之差的绝对值V2为第2阈值以上的情况下也判断为存在外部磁场。
这样，控制部130基于第1磁传感器120a以及第2磁传感器120b各自的中点电位来判断有无外部磁场。
在本实施方式中，在存储部131中进一步存储第3阈值。第3阈值被适当地设定为能够进行基于外部磁场的测量仪篡改的检测。
图7是表示在本发明的一实施方式所涉及的电流传感器中，磁传感器所检测的磁场的强度与磁传感器的输出电压的关系的图。在图7中，纵轴表示磁传感器的中点电位(V)，横轴表示磁场的强度。
如图7所示，第1磁传感器120a以及第2磁传感器120b分别的中点电位与检测的磁场的强度成比例地变大。在无外部磁场的状态下，若将第1磁传感器120a以及第2磁传感器120b分别检测的在初级导体110的周围产生的磁场的强度的最大值设为Hmax、-Hmax，则第1磁传感器120a以及第2磁传感器120b各自的中点电位的最大值为Vmax，最小值为-Vmax。将从该中点电位的最大值Vmax到最小值-Vmax的区域设为平常区域T1。将中点电位的最大值Vmax的值设为第3阈值。
在存在外部磁场时，由于流过初级导体110的电流而产生的磁场与外部磁场叠加，第1磁传感器120a以及第2磁传感器120b的任意一个的中点电位超出平常区域T1。将第1磁传感器120a以及第2磁传感器120b各自的中点电位比最大值Vmax高的区域、以及第1磁传感器120a以及第2磁传感器120b各自的中点电位比最小值-Vmax低的区域设为异常区域T2。
在存在外部磁场时，第1磁传感器120a以及第2磁传感器120b的任意一个的的中点电位的最大值Vo以及最小值Vo的至少一个为异常区域T2内的值。
在本实施方式中，判断部132在被输入到控制部130的第1磁传感器120a以及第2磁传感器120b之中的至少一个磁传感器的中点电位的最大值的绝对值以及最小值的绝对值的至少任意一个为第3阈值即Vmax以上的情况下也判断为存在外部磁场。
这样，控制部130基于第1磁传感器120a以及第2磁传感器120b各自的中点电位来判断有无外部磁场。
在本实施方式所涉及的电流传感器中，由于能够执行基于外部磁场的测量仪篡改的检测和电量的计量这两方，因此不需要独立于电气测量仪而配置对外部磁场进行检测的磁传感器。因此，能够实现电气测量仪的小型化以及低成本化。另外，在存储部131中存储第1阈值、第2阈值以及第3阈值的至少一个即可。此外，判断部132也可以适当地选择或者适当地组合第1阈值、第2阈值以及第3阈值的任意一个，来判断有无外部磁场。
应当认为本次公开的实施方式在全部方面为示例并不是限制性的。本发明的范围并不通过上述说明表示而通过权利要求书来表示，意图包含与权利要求书均等的意思以及范围内的全部变更。
-符号说明-
1电桥电路，2a第1磁铁，2b第2磁铁，10输入布线，11输出布线，20a、20b磁化方向，100电流传感器，110初级导体，110e1、110e2磁场，110i电流流过初级导体的方向，120a第1磁传感器，120b第2磁传感器，130控制部，131存储部，132判断部，140温度传感器，150基板，160主板，C1、C2、C3中心值，E1、E2信号波形，GND接地侧端子，N假想信号波形，R1、R2、R3、R4磁阻效应元件，T1平常区域，T2异常区域，V+正输出端子，V-负输出端子，Vcc正极侧端子。

Claims (5)

1.一种电流传感器，具备：
初级导体；
多个磁传感器，包含至少一个磁阻效应元件，对由于流过所述初级导体的交流电流而产生的磁场的强度进行检测；和
控制部，电连接于多个所述磁传感器的每一个，
所述控制部基于多个所述磁传感器各自的中点电位来判断有无外部磁场。
2.根据权利要求1所述的电流传感器，其中，
所述控制部包含存储部和判断部。
3.根据权利要求2所述的电流传感器，其中，
所述存储部存储第1阈值、以及无外部磁场时的所述中点电位的值，
所述判断部在被输入到所述控制部的多个所述磁传感器之中的至少一个磁传感器的所述中点电位的信号波形的中心值与无外部磁场时的所述中点电位的值之差的绝对值为所述第1阈值以上的情况下判断为存在外部磁场。
4.根据权利要求2或3所述的电流传感器，其中，
所述存储部存储第2阈值，
所述判断部在被输入到所述控制部的多个所述磁传感器之中的至少2个磁传感器的所述中点电位的信号波形的中心值彼此之差的绝对值为所述第2阈值以上的情况下判断为存在外部磁场。
5.根据权利要求2至4的任意一项所述的电流传感器，其中，
所述存储部存储第3阈值，
所述判断部在被输入到所述控制部的多个所述磁传感器之中的至少一个磁传感器的所述中点电位的最大值的绝对值以及最小值的绝对值的至少任意一个为所述第3阈值以上的情况下判断为存在外部磁场。
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