JP2002131342A - 電流センサ - Google Patents
電流センサInfo
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Abstract
の近傍に配置される2つの磁気検出素子により検知して
得た2信号を差動増幅して前記電流の検知信号を得る電
流センサにおいて、省スペースが図れ、S/N比を向上
できる構成を提供する。 【解決手段】 検知すべき電流が流される信号線8の中
心軸をz軸、このz軸に直交する一軸をx軸、このx軸
とz軸に直交する一軸をy軸とする。2つの磁気インピ
ーダンス素子10A,10Bは、信号線8の近傍で、そ
れぞれの磁界検知方向(磁性薄膜からなる磁気検知部1
4a,14bの長手方向)がx軸方向になるようにし
て、x軸を挟んでy軸方向に隣接して配置される。素子
10A,10Bは、信号線8に流れる電流Iからの磁界
Hのx軸方向の磁界成分を検知することになる。
Description
流からの磁界を磁気検出素子により検知して前記電流を
検知する電流センサに関するものである。
ントトランス、ホール素子、MR素子(磁気抵抗効果素
子)等が使われてきた。近年、省エネルギー要求の高ま
りで電流センサの市場は拡大しており、性能的には、よ
りきめこまかい電流監視に対応して、精度の高い電流セ
ンサが要求されてきている。しかし、従来の電流センサ
では、限界が見えつつあり、新しい電流センサの登場が
期待されている。
らの磁界を磁気検出素子により検知して前記電流を検知
する電流センサにおいて、磁気検出素子に磁気インピー
ダンス素子(以下、MI素子と略す)を用いるという考
えがある。MI素子は、磁性体からなる磁気検知部に高
周波電流を印加すると、外部磁界に応じて磁気検知部の
両端間のインピーダンスが変化するもので、そのインピ
ーダンス変化を信号として取り出すものである。
330644号や特開平9−127218号等の公報に
記載された後述の図8に示す素子のように、非磁性基板
上に、直線を複数回平行に折り返した細長いつづら折り
状パターンの磁性薄膜からなる磁気検知部を設けたMI
素子は、チップ抵抗のような小型サイズでMR素子より
2桁高い感度が得られる特長を持つ。
子を検知すべき電流が流される信号線に近接して配置
し、前記電流から発せられる磁界をMI素子により検知
して前記電流を検知することになるが、1個のMI素子
だけでは周囲の外乱磁気の影響を排除してS/N比の良
い電流検知を行うことが困難である。
差動動作させる構成が知られている。その従来例を図8
に示してある。図8において、8は検知すべき電流が流
される信号線、10A,10BはMI素子、12a,1
2bはMI素子10A,10Bの非磁性基板、14a,
14bは非磁性基板12a,12b上に設けられた磁気
検知部であり、先述した細長いつづら折り状パターンの
磁性薄膜からなり、その磁界検知方向はつづら折り状パ
ターンの長手方向である。
を説明する便宜上、信号線8の中心軸をz軸とし、この
z軸に対して直交する一軸をx軸とし、このx軸とz軸
に直交する一軸をy軸として示してある。MI素子10
A,10Bは、信号線8の近傍において、信号線8を中
心とした同一円周上で180度離れて対向した位置に配
置され、それぞれの磁界検知方向がx軸とy軸により形
成されるxy平面内における前記円周の接線方向で互い
に平行になるように配置されている。
素子10A,10Bに対してx軸方向に沿った一方向に
バイアス磁界Hbがかけられる。そして、MI素子10
A,10Bに対して、信号線8の電流Iから発せられる
磁界Hiについては逆相、それ以外の外来の磁界に対し
ては同相の磁界が掛かり、差動動作させることで磁界H
i以外の外来の磁界が相殺されるので、S/N比の良い
電流検知が可能となる。
能の向上が要求されている。そこで本発明の課題は、こ
の種の電流センサの性能をさらに向上し、さらに設置ス
ペースを小さくでき、外乱磁界に対して強く、S/N比
に優れた電流センサを提供することにある。
め、本発明によれば、検知すべき電流が流される信号線
の近傍に配置される2つの磁気検出素子(例えばMI素
子)を有し、前記信号線に流れる電流からの磁界を前記
2つの磁気検出素子により検知して得た2信号を差動増
幅して前記電流の検知信号を得る電流センサにおいて、
前記信号線の中心軸をz軸、該z軸に直交する一軸をx
軸、該x軸と前記z軸に直交する一軸をy軸として、前
記2つの磁気検出素子は、それぞれの磁界検知方向が前
記x軸方向になるようにして、前記x軸を挟んで前記y
軸方向に隣接して配置された構成、及び、前記2つの磁
気検出素子は、それぞれの磁界検知方向が前記x軸とz
軸により形成されるxz平面に平行な平面内で前記x軸
方向に対して傾斜した方向になるようにして、前記x軸
を挟んで前記y軸方向に隣接して配置された構成を採用
した。
の形態を説明する。ここでは、先述したMI素子を2つ
用いて、信号線に流れる電流からの磁界を検知して前記
の電流を検知する電流センサの実施形態を示す。
態を図1〜図6により説明する。まず、図1は、本実施
形態の電流センサに用いられる2つのMI素子の配置を
示している。ここでは、その配置の説明の便宜上、x,
y,zの直交座標系を用いており、検知すべき電流Iが
流される信号線8の中心軸をz軸、このz軸に対して点
oで直交する一軸をx軸、このx軸とz軸に対して点o
で直交する一軸をy軸としている。なお、信号線8は、
少なくともMI素子10A,10Bと近接する部分は直
線状であるものとする。
性基板12a,12b上に、高透磁率の磁性薄膜からな
る磁気検知部14a,14bを設けて構成されている。
磁気検知部14a,14bの磁性薄膜は、直線を複数回
平行に折り返した細長いつづら折り状パターンに形成さ
れており、それぞれの両端には端子部16a,16bが
形成されている。磁気検知部14a,14bの磁界検知
方向は、そのつづら折り状パターンの長手方向である。
この磁性薄膜を用いたMI素子は、パターンの長手方向
に極めて強い一軸の指向性を持ち、本件のようにある方
向の磁界成分を検知するには優れた特性をもっている。
傍において、それぞれの磁界検知方向、すなわち磁気検
知部14a,14bの長手方向がx軸方向になるように
して、x軸を挟んでy軸方向に隣接して配置されてい
る。
回路構成を示している。ここに示す構成において、電流
検知時には、高周波発振器20からバッファーアンプ2
1、直流カット用のコンデンサ22、インピーダンス調
整用の抵抗23a,23bを介してMHz帯の高周波電
流がMI素子10A,10Bの磁気検知部14a,14
bに印加される。信号線8の電流Iからの磁界Hを含む
外部磁界に応じて磁気検知部14a,14bの両端間の
インピーダンスが変化し、それにより磁気検知部14
a,14bに印加された高周波電流が振幅変調され、磁
気検知部14a,14bの両端の端子部16a,16b
における高周波電流の振幅電圧が変化する。その振幅電
圧変化のそれぞれが端子部16a,16bに接続された
検波回路24a,24bの検波によって信号として取り
出され、さらに取り出された2信号が差動増幅器25に
よって差動増幅され、その出力信号が電流検知信号とし
て出力される。
て見たMI素子10A,10Bの配置を示している。こ
こで、MI素子10A,10Bの磁気検知部14a,1
4bのy軸方向の中心軸の間隔をdとする。また、磁気
検知部14a,14bのそれぞれのx軸方向の中心軸p
とy軸の距離は等距離であってsとする。
の磁界検知方向がx軸方向であるため、信号線8の電流
Iから発生する磁界Hのx軸方向の成分Hxを検知する
ことになるが、磁気検知部14a,14bのx軸方向の
中心軸pのライン上での磁界成分Hxの大きさは、
線8に直流1Aを印加した際のs=2.5mmのライン
上でx軸からのy軸方向に沿った距離による磁界成分H
xの磁界分布を示している。磁界成分Hxの分布はX軸
を挟んで逆向きの磁界となり、プラス側、マイナス側と
もに、x軸からのy軸方向に沿った距離が2.5mmの
ところで0.4Oeの最大または最小値を取る。なお、
磁界の極性は、信号線8に向かう方向をプラスとした。
て、MI素子10A,10Bの磁気検知部14a,14
bの磁界検知方向がx軸方向とされ、磁気検知部14
a,14bがx軸を挟んでy軸方向に隣接して配置され
ているので、磁気検知部14a,14bを差動動作させ
ることで、信号線8の電流Iからの磁界Hのx方向の磁
界成分Hxは逆相で加算処理されるが、それ以外の外部
磁界は同相で除去されるため、良好なS/N比を確保で
きる。また、電流Iからの磁界Hのx方向の磁界成分H
xは、全体の磁界Hに対して弱いので、高感度のMI素
子10A,10Bを信号線8に近接して配置して使用で
きる。
する上で、磁気検知部14a,14bの特性が等しくな
る様に、磁気検知部14a,14bがx軸を挟んで線対
称であって、x軸からy軸方向に等距離の位置にあるこ
とが望ましい。
さい場合でその最大値を確保するためには、磁気検知部
14a,14bのy軸方向の中心軸の間隔dが磁気検知
部14a,14bのx軸方向の中心軸pとy軸の距離s
の2倍になる様にすれば良い。また、電流Iが大きくて
それによる磁界が大きすぎる場合は、間隔dを小さくす
ることで検知磁界を調整することができる。要するに間
隔dは距離sの2倍以下にすればよい。従来例で示した
2つのMI素子10A,10Bを信号線8を挟んで18
0°はなれた位置に対向して配置した構成では、信号線
8からの磁界が大きすぎる場合に、単純に信号線8とM
I素子10A,10Bとの距離を大きくするしかなかっ
たが、本実施形態の構成では距離sを大きくするだけで
なく、MI素子10A,10Bの間隔dを小さくするこ
とでもある程度対応できる。このことは、信号線8の電
流Iが大きくてそれによる磁界が大きすぎる場合に、M
I素子10A,10Bの設置スペースをやみくもに広げ
ることなく、小さなスペースで大きな電流計測にも対応
できることにつながる。
る場合やトランス等のノイズ源がある場合は、図5に示
すように、信号線8とMI素子10を包囲するように、
パーマロイやアモルファス、フェライト等の磁性体から
なるシールド部材18を設けて磁気遮蔽することによ
り、良好なS/Nを保つこともできる。
非磁性基板12上に、先述したつづら折り状パターンの
磁性薄膜からなる2つの磁気検知部14a,14bを隣
接して設けたもの、すなわち2つのMI素子を一体に構
成したものである。このようにすると磁気検知部14
a,14bの間隔dを可変に調整することはできない
が、センサの構成とMI素子の取り扱いが簡単になる。
めに、本実施形態の電流センサで実際に電流を検知した
実験結果の検知データの一例を図6に示してある。
は、それぞれガラスから形成した非磁性基板12a,1
2b上に、Fe−Ta−C系の磁性薄膜からなる前述の
つづら折り状パターンの磁気検知部14a,14bを長
さ1.4mmで形成したものとした。また、検知感度を
得るためにバイアス磁界Hbを磁界検知方向のx軸方向
に8エルステッドの大きさでMI素子10A,10Bの
両方に均等に掛けるように、永久磁石をMI素子10
A,10Bに近接して配置した。信号線8には、純銅の
直径1mmの棒を用いて電流を流し、磁気検知部14
a,14bの間隔dを2mm、信号線8との距離sを
2.5mmにして、0.1〜10Aの電流を検知して計
測した。電流センサの回路では、高周波発振器20から
MI素子10A,10Bの磁気検知部14a,14bに
20MHzの高周波電流を印加した。差動増幅器25の
増幅ゲインはDC1Aで0.1Vの変化になるように合
わせた。
I素子の性能を生かして、0.1Aから10Aまで直線
性に優れた電流検知特性が得られた。この構成で、間隔
d,距離sの寸法をさらに小さくすれば、10mA程度
までこの非接触の構成で対応可能である。
い反面、磁界検知レンジが数エルステッドと狭くなるた
め、信号線8の電流Iが大きい場合は位置的な調整が必
要となる。磁界の検知レンジを下げるためには、図2で
説明した距離sを大きくすれば良いが、その他の方法と
して、図7に示すようにMI素子10A,10Bを配置
する第2の実施形態の方法がある。すなわち、MI素子
10A,10Bは、信号線8の近傍において、x軸を挟
んでy軸方向に隣接する点では第1の実施形態と同様で
あるが、異なる点として、それぞれの磁界検知方向、す
なわち磁気検知部14a,14bのパターン長手方向
が、矢印で示すように、x軸とz軸により形成されるx
z平面に対して平行な面内でx軸方向に対して角度θ傾
斜した方向になるように配置されている。なお、ここで
は磁界検知方向がx軸方向に対してz軸の正の方向に傾
斜しているが、z軸の負の方向に傾斜していてもよい。
なお、本実施形態のこれ以外の点は第1の実施形態と共
通とする。
子10A,10Bの配置方法によれば、MI素子10
A,10Bのサイズを維持したまま、より大きな電流に
対応して磁界の検知レンジを下げるように調整すること
が可能となる。すなわちMI素子は、磁気検知部の長手
方向に強い一軸の磁気異方性を持つので、上記の角度θ
の傾斜により、ベクトル分圧を生かして、cosθ分の
磁界減衰で感度を調整することが可能である。
出素子としてMI素子を用いるものとしたが、例えばM
R素子などの他の素子を用いても良く、その場合に素子
の配置方法を実施形態と同様にすれば良い。
によれば、検知すべき電流が流される信号線の近傍に配
置される2つの磁気検出素子を有し、前記信号線に流れ
る電流からの磁界を前記2つの磁気検出素子により検知
して得た2信号を差動増幅して前記電流の検知信号を得
る電流センサにおいて、前記信号線の中心軸をz軸、該
z軸に直交する一軸をx軸、該x軸と前記z軸に直交す
る一軸をy軸として、前記2つの磁気検出素子は、それ
ぞれの磁界検知方向が前記x軸方向になるようにして、
或いは、それぞれの磁界検知方向が前記x軸とz軸によ
り形成されるxz平面に平行な平面内で前記x軸方向に
対して傾斜した方向になるようにして、前記x軸を挟ん
で前記y軸方向に隣接して配置された構成を採用したの
で、高感度の磁気検出素子(例えばMI素子)を前記信
号線に近接して配置しても、大きな電流の検知にも対応
することができ、2つの磁気検出素子の設置スペースを
小さくすることができ、省スペースを図れるとともに、
外乱磁界に対して強く、S/N比の良い優れた電流セン
サを提供することができる。
2つのMI素子の配置及び検知すべき電流とそれによる
磁界を示す斜視図である。
である。
向に向かって見た配置を示す説明図である。
たx軸方向の磁界成分Hxの分布を示すグラフ図であ
る。
ールド部材の配置を示す斜視図である。
の検知データの一例を示すグラフ図である。
I素子の配置を示す斜視図である。
置及び検知すべき電流による磁界を示す斜視図である。
向に向かって見た配置を示す説明図である。
Claims (8)
- 【請求項1】 検知すべき電流が流される信号線の近傍
に配置される2つの磁気検出素子を有し、前記信号線に
流れる電流からの磁界を前記2つの磁気検出素子により
検知して得た2信号を差動増幅して前記電流の検知信号
を得る電流センサにおいて、 前記信号線の中心軸をz軸、該z軸に直交する一軸をx
軸、該x軸と前記z軸に直交する一軸をy軸として、前
記2つの磁気検出素子は、それぞれの磁界検知方向が前
記x軸方向になるようにして、前記x軸を挟んで前記y
軸方向に隣接して配置されたことを特徴とする電流セン
サ。 - 【請求項2】 検知すべき電流が流される信号線の近傍
に配置される2つの磁気検出素子を有し、前記信号線に
流れる電流からの磁界を前記2つの磁気検出素子により
検知して得た2信号を差動増幅して前記電流の検知信号
を得る電流センサにおいて、 前記信号線の中心軸をz軸、該z軸に直交する一軸をx
軸、該x軸と前記z軸に直交する一軸をy軸として、前
記2つの磁気検出素子は、それぞれの磁界検知方向が前
記x軸とz軸により形成されるxz平面に平行な平面内
で前記x軸方向に対して傾斜した方向になるようにし
て、前記x軸を挟んで前記y軸方向に隣接して配置され
たことを特徴とする電流センサ。 - 【請求項3】 前記信号線と2つの磁気検出素子を包囲
して磁気遮蔽する磁性体からなるシールド部材を有する
ことを特徴とする請求項1または2に記載の電流セン
サ。 - 【請求項4】 前記2つの磁気検出素子は、それぞれの
磁気検知部の前記x軸方向の中心軸と前記y軸の距離が
等距離sであって、それぞれの磁気検知部の前記y軸方
向の中心軸の間隔dが前記距離sの2倍以下であるよう
に配置されたことを特徴とする請求項1から3までのい
ずれか1項に記載の電流センサ。 - 【請求項5】 前記2つの磁気検出素子は、それぞれの
磁気検知部が前記x軸から前記y軸方向に等距離の位置
にあるように配置されたことを特徴とする請求項1から
4までのいずれか1項に記載の電流センサ。 - 【請求項6】 前記磁気検出素子として磁気インピーダ
ンス素子を用いたことを特徴とする請求項1から5まで
のいずれか1項に記載の電流センサ。 - 【請求項7】 前記磁気インピーダンス素子は、非磁性
基板上に、直線を複数回平行に折り返した細長いつづら
折り状パターンの磁性薄膜からなる磁気検知部を設けて
構成されたことを特徴とする請求項6に記載の電流セン
サ。 - 【請求項8】 前記磁気インピーダンス素子として、1
枚の非磁性基板上に前記つづら折り状パターンの磁性薄
膜からなる磁気検知部が2つ隣接して設けられて2つの
磁気インピーダンス素子が一体に構成されたものを1つ
用いたことを特徴とする請求項7に記載の電流センサ。
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