JP2005265709A

JP2005265709A - 電流センサ

Info

Publication number: JP2005265709A
Application number: JP2004081014A
Authority: JP
Inventors: Yuji Matsuzoe; 雄二松添; Hideo Shimizu; 秀雄清水
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2004-03-19
Filing date: 2004-03-19
Publication date: 2005-09-29

Abstract

【課題】磁気インピーダンス（ＭＩ）素子を用いた電流センサの感度低下を抑制できるようにする。
【解決手段】ＭＩ素子を用いた電流センサでは、例えば永久磁石などを用いてバイアス磁界を印加する必要があったが、このように磁界を常時印加すると特に高温環境下ではその感度が低下すると言う問題が発生する。そこで、この発明では、例えば１つのコイル４に回路２５と２６からバイアス用電流と負帰還用の各電流を重畳して印加する構成とし、装置動作時のみコイル４に磁界が印加されるようにして感度の低下を招かないようにする。
【選択図】図２

Description

この発明は、導体に流れる電流を非接触にて検出する、特に磁気インピーダンス素子を用いた電流センサに関する。

従来、電流センサとして用いられているホール素子や磁気抵抗素子に代えて、ＭａｇｎｅｔｏＩｍｐｅｄａｎｃｅ（ＭＩ）効果を利用した高感度な磁気インピーダンス素子（単に、ＭＩ素子とも略記する）が出現しており（例えば、非特許文献１、特許文献１，２参照）、これを用いたセンサも提案されている（例えば、非特許文献３，４，５参照）。

図９（ａ）にこの種のＭＩ素子を用いた電流センサによる計測方法例を示す。
これは、ＭＩ素子１００を、計測対象である電線１０２から距離ｒ₀だけ離れた位置に配置して、電流計測を行なうものである。
ＭＩ素子１００は磁気インピーダンス効果を利用する電流センサ用素子であり、ここでは図９（ｂ）のように、基板１０６上にソフト（軟）磁性膜１０５でパターニングした簡単な構成となっている。また、ＭＩ素子１００には、外部磁界に比例する磁場を印加するための手段としての負帰還コイル１０４が設けられている。

図１０にＭＩ素子１００のインピーダンス特性と素子動作点との関係を示す。
すなわち、０磁場付近は、ＭＩ素子１００に外部磁場を印加してもインピーダンスの変化がないか、または線形性がない領域である。そのため、動作点１１１をシフト（移動）させる必要がある。そこで、ＭＩ素子１００にバイアス磁界１１０をかけるため、例えば図９（ｂ）のように、基板１０６を介して永久磁石１０１を配置させ、ＭＩ素子１００の磁性膜１０５に図１１のようなバイアス磁界を印加している。

図１２に以上のようなＭＩ素子を用いたセンサ回路をブロック図で示す。
同図において、１３１は発振回路、１３３は固定抵抗、１３５は整流回路、１３６は増幅回路、１３９は第１の電流発生手段である負帰還電流発生回路を示す。
この構成で、ＭＩ素子１００に発振回路１３１から高周波信号を印加すると、ＭＩ素子１００は外部磁場に比例してインピーダンスが変化する。そのため、整流回路１３５の入力部の信号は、外部磁界に比例した振幅を持つ高周波信号となる。これを整流回路１３５および増幅回路１３６を介し、電流センサ出力１３７として出力する。

また、電流センサのレンジアビリティの向上と温度特性改善を目的に、負帰還磁場を印加させるための手段として負帰還電流発生回路１３９を備え、ＭＩ素子１００に配置された負帰還コイル１０４に外部磁場に比例した電流を流すことができる。これにより、ＭＩ素子に対し、外部磁場に比例する負帰還磁場を印加するようにしている。
図１３にＭＩ素子に印加される測定対象となる電流線１０２から発生する外部磁場１４０、バイアス磁場と負帰還磁場との合成磁場１４２の例を示す。バイアス磁場１４１は永久磁石によるオフセット成分の磁場であり、負帰還磁場は外部磁場１４０を打ち消す方向に発生する磁場で、外部磁界に比例するものである。

比嘉、外５名，「パルス電流励磁によるスパッタ薄膜マイクロＭＩセンサ」，日本応用磁気学会誌，１９９７，ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．４−２特開２００２−０４３６４９号公報特開２００２−０５５１４８号公報特開２００１−０４２０１５号公報特開２００１−２０８８１７号公報特開２００１−０９１６０８号公報

１５０℃の高温環境下において、上記のようなＭＩ素子にバイアス磁界を印加したときと、印加していないときの感度特性を図１４に示す。ここに感度とは、図１０に示す動作点１１１における傾きを示しており、その傾きが外部磁界に対するインピーダンスの変化率を決定している。
図１４より、ＭＩ素子に磁場を印加していない場合には（丸印で結ぶ線参照）、ＭＩ素子の感度は１００，０００時間（ｈ）経過しても数％程度の感度劣化に対し、磁場を印加した場合には１，０００時間経過で５０％程度感度が劣化している（四角印で結ぶ線参照）。

以上のことから、特に高温環境下において、ＭＩ素子のバイアス磁界として永久磁石を用いると感度劣化が発生することが分かる。
したがって、この発明の課題は、バイアス磁界の印加方法を工夫して感度劣化が発生しないようにすることにある。

このような課題を解決するため、請求項１の発明では、発振回路から高周波電流を印加される電流検出用素子と、測定対象に流れる電流により生成される磁界に比例する電流を発生させる第１の電流発生手段と、一定の電流を発生させる第２の電流発生手段と、前記電流検出用素子からの信号を外部磁界に比例する電圧信号に変換する変換回路とを備えた電流センサにおいて、
前記第１の電流発生手段からの電流と、前記第２の電流発生手段からの電流とを加算する電流加算手段と、この電流加算手段より得られる電流信号に比例する磁界を前記電流検出用素子に印加する磁界印加手段とを設けたことを特徴とする。

請求項２の発明では、発振回路から高周波電流を印加される電流検出用素子と、測定対象に流れる電流により生成される磁界に比例する電流を発生させる第１の電流発生手段と、一定の電流を発生させる第２の電流発生手段と、低周波信号発生回路と、前記電流検出用素子からの信号を外部磁界に比例する電圧信号に変換する変換回路とを備えた電流センサにおいて、
前記第１の電流発生手段からの電流と、前記第２の電流発生手段からの電流とを加算する電流加算手段と、この電流加算手段より得られる電流信号に比例する磁界を前記電流検出用素子に印加する磁界印加手段とを設け、
前記低周波信号発生回路からの信号を前記第１，２の電流発生手段および前記変換回路に与え、前記低周波信号発生回路からの信号がハイのときのみこれらを動作させることを特徴とする。

また、請求項３の発明では、発振回路から高周波電流を印加される電流検出用素子と、測定対象に流れる電流により生成される磁界に比例する電流を発生させる第１の電流発生手段と、一定の電流を発生させる第２の電流発生手段と、低周波信号発生回路と、前記電流検出用素子からの信号を外部磁界に比例する電圧信号に変換する変換回路とを備えた電流センサにおいて、
前記第１の電流発生手段からの電流と、前記第２の電流発生手段からの電流とを加算する電流加算手段と、この電流加算手段より得られる電流信号に比例する磁界を前記電流検出用素子に印加する磁界印加手段とを設け、
前記低周波信号発生回路からの信号を前記発振回路、前記第１，２の電流発生手段および前記変換回路に与え、前記低周波信号発生回路からの信号がハイのときのみこれらを動作させることを特徴とする。

上記請求項１〜３の発明においては、前記電流検出用素子は磁気インピーダンス素子であることができ（請求項４の発明）、または、前記磁界印加手段は前記電流検出用素子の近傍に配置されたコイルであることができる（請求項５の発明）。
上記請求項３の発明においては、前記低周波信号発生回路からの出力信号を、ディジタル信号とすることができる（請求項６の発明）。

この発明によれば、バイアス磁界の発生に永久磁石を用いないので、高温環境下において長時間動作させても特性上問題のない電流センサを得ることができる。すなわち、１つのコイル（負帰還コイル）のみを用いてバイアス磁場発生用電流と負帰還電流とを供給する構成とすることにより、ＭＩ素子に印加される磁界の時間を短縮できるため、感度低下の影響を低減できる。

図１はこの発明の第１の実施の形態説明図である。
これは、この発明によるＭＩ素子１を用いた電流計測例を示し、図９に示すＭＩ素子１００から永久磁石１０１を除去した以外は全く同様なので、詳細は省略する。
図２に電流センサの回路構成例を示す。図１２の従来例に対し、第２の電流発生手段であるバイアス電流発生源２５および電流加算手段である加算器ＡＤが付加された点が特徴である。

すなわち、ＭＩ素子１に発振回路２１からの高周波信号を印加すると、ＭＩ素子１は外部磁界に応じてそのインピーダンスが変化する。従って、ＭＩ素子１からは外部磁場に比例する振幅を持った高周波信号が得られるので、変換回路である整流回路２３および増幅回路２４を介して電圧信号として取り出される。
また、負帰還電流発生回路２６により電流出力（外部磁場）に比例する負帰還電流と、バイアス電流発生源２５からのバイアス電流を加算器ＡＤにて足し合わせた電流を負帰還コイル４に流し、負帰還コイル４に発生した磁場をＭＩ素子１に印加する。

図３に外部磁場３０、バイアス電流によるバイアス磁場３１および負帰還電流による負帰還磁場３２の関係を示す。この図から、永久磁石をバイアス磁場とする従来例と同様に、バイアス磁場と負帰還磁場の組み合わせ磁場が、外部磁場を打ち消すように作用することが分かる。
そして、従来例では電流センサを使用していないときでも、ＭＩ素子には永久磁石による磁場が形成されていたのに対し、この例では電源が入っていないときには磁場が印加されることはない。そのため、電源が入っていない時間だけ、ＭＩ素子の感度劣化が低減されることになる。

図４はこの発明の第２の実施の形態を示すブロック図である。なお、電流計測例はこれまでと全く同様なので、説明は省略する。
この例は、図１に示すものに対し、整流回路４３の出力をサンプリングして保持するサンプルホールド回路４４、および低周波信号発生回路４７を付加して構成される。低周波信号発生回路４７の出力はサンプルホールド回路４４，バイアス電流発生源４６および負帰還電流発生回路４６６に与えられているので、これらの回路４４，４６，４６６は回路４７からの低周波信号がハイのときのみ動作可能となる。

例えば、測定対象となる電流の周波数がＤＣ〜５０Ｈｚ程度であれば、電流センサは１周期あたり２０サンプリング程度で電流値を検出すれば、安定した電流値が得られる。すなわち、サンプリング周波数を１０００Ｈｚ（＝１ｍｓ）程度とすれば、電流信号を安定に検出することができる。また、１サンプリングあたり１０〜２０パルス程度の高周波信号をＭＩ素子に印加すれば、ＭＩ素子は外部磁界に対してインピーダンスの変化が正常に生起することが知られている。

例えば、ＭＩ素子に印加する高周波信号を１ＭＨｚ、印加すべきパルスを１０パルスとすると、１サンプリングあたり回路系が動作しなければならないのは１０μｓ（１μｓ＊１０）程度となる。
そこで、低周波信号発生回路４７からは、図５に示すような１ｍｓ（１０００Ｈｚ）周期で、Ｈｉｇｈ（ハイ）の時間が１０μｓの信号を発生させ、この信号がＨｉｇｈ（ハイ）のときのみサンプルホールド回路４４，バイアス電流発生源４６および負帰還電流発生回路４６６を動作させるようにし、１０μｓのみＭＩ素子にバイアス磁界および外部磁界（負帰還磁場）を印加するようにしている。

図６にＭＩ素子に印加される外部磁場と、バイアス磁界および外部磁界（負帰還磁場）の組み合わせ磁場を示す。図示のように、組み合わせ磁場は１ｍｓ周期で、１０μｓのみＭＩ素子にバイアス磁場が印加されるため、従来方式よりもＭＩ素子に磁場を印加する時間を短縮できる。その結果、先の例に対して組み合わせ磁場を印加する時間をより短かくなり、ＭＩ素子の特性に与える影響を小さくできる。

図７はこの発明の第３の実施の形態を示すブロック図である。なお、電流計測例はこれまでと全く同様なので、説明は省略する。
これは、図４に示すものに対し、ＭＩ素子１に印加されるクロックを発生させる発振回路７１にも、低周波信号発生回路７０からの出力を導入するようにし、低周波信号発生回路７０からの信号がＨｉｇｈ（ハイ）のときのみ発振回路７１を動作させるようにしたものである。
図８に発振回路７１の出力信号波形例を示す。同（ｂ）は、（ａ）の部分拡大図である。このように、ＭＩ素子のサンプリング時のみＭＩ素子にクロックを印加できるので、センサの低消費電力化が可能となる。

この発明の第１の実施の形態を説明する説明図この発明によるセンサ回路を示すブロック図図１のＭＩ素子に印加される磁場を説明する説明図この発明の第２の実施の形態を示すセンサ回路のブロック図図４の低周波信号発生回路からの出力信号例を示す波形図図４のＭＩ素子に印加される磁場の説明図この発明の第３の実施の形態を示すセンサ回路のブロック図素子に印加されるパルス波形を示す波形図従来のＭＩ素子からなる電流センサを用いた計測例の説明図ＭＩ素子の磁気インピーダンス特性とその動作点の説明図永久磁石によってＭＩ素子に印加される磁界強度分布図電流センサ回路の従来例を示すブロック図従来のＭＩ素子に印加される磁場説明図１５０℃放置時のＭＩ素子の磁気インピーダンスの感度変化説明図

符号の説明

１…ＭＩ（磁気インピーダンス）素子、２…電線、３…磁性膜、４…負帰還コイル、５…基板、２１，４１，７１…発振回路、２２，４２，７３…固定抵抗、２３，４３，７４…整流回路、２４，４５，７６…増幅回路、２５，４６，７８…バイアス電流発生源、２６，４６６，７８８…負帰還回路、４４，７５…サンプルホールド回路、４７，７０…低周波信号発生回路、ＡＤ…加算器。

Claims

発振回路から高周波電流を印加される電流検出用素子と、測定対象に流れる電流により生成される磁界に比例する電流を発生させる第１の電流発生手段と、一定の電流を発生させる第２の電流発生手段と、前記電流検出用素子からの信号を外部磁界に比例する電圧信号に変換する変換回路とを備えた電流センサにおいて、
前記第１の電流発生手段からの電流と、前記第２の電流発生手段からの電流とを加算する電流加算手段と、この電流加算手段より得られる電流信号に比例する磁界を前記電流検出用素子に印加する磁界印加手段とを設けたことを特徴とする電流センサ。
発振回路から高周波電流を印加される電流検出用素子と、測定対象に流れる電流により生成される磁界に比例する電流を発生させる第１の電流発生手段と、一定の電流を発生させる第２の電流発生手段と、低周波信号発生回路と、前記電流検出用素子からの信号を外部磁界に比例する電圧信号に変換する変換回路とを備えた電流センサにおいて、
前記第１の電流発生手段からの電流と、前記第２の電流発生手段からの電流とを加算する電流加算手段と、この電流加算手段より得られる電流信号に比例する磁界を前記電流検出用素子に印加する磁界印加手段とを設け、
前記低周波信号発生回路からの信号を前記第１，２の電流発生手段および前記変換回路に与え、前記低周波信号発生回路からの信号がハイのときのみこれらを動作させることを特徴とする電流センサ。
発振回路から高周波電流を印加される電流検出用素子と、測定対象に流れる電流により生成される磁界に比例する電流を発生させる第１の電流発生手段と、一定の電流を発生させる第２の電流発生手段と、低周波信号発生回路と、前記電流検出用素子からの信号を外部磁界に比例する電圧信号に変換する変換回路とを備えた電流センサにおいて、
前記第１の電流発生手段からの電流と、前記第２の電流発生手段からの電流とを加算する電流加算手段と、この電流加算手段より得られる電流信号に比例する磁界を前記電流検出用素子に印加する磁界印加手段とを設け、
前記低周波信号発生回路からの信号を前記発振回路、前記第１，２の電流発生手段および前記変換回路に与え、前記低周波信号発生回路からの信号がハイのときのみこれらを動作させることを特徴とする電流センサ。
前記電流検出用素子は磁気インピーダンス素子であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電流センサ。
前記磁界印加手段は前記電流検出用素子の近傍に配置されたコイルであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電流センサ。
前記低周波信号発生回路からの出力信号を、ディジタル信号とすることを特徴とする請求項３に記載の電流センサ。