JP2006112813A - 電流センサ及びそれを用いた電流検知ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】 大電流に対し、サイズを大型化することなく、外乱磁界に対しても強い電流センサ及びそれを用いた電流検知ユニットを提供する。
【解決手段】 外部磁界によりその透磁率が変化する磁気検出素子１０、磁気検出素子１０の周囲を磁気シールドする磁気シールド１８、磁気シールド１８内に設けられた電流線２０を具備する。そして、電流線２０はＵ字形状をなしており、磁気検出素子１０をその磁界検知方向が前記Ｕ字形状の立脚部の並び方向に対して直交する方向になるように、且つ、電流線２０のＵ字形状の先端近傍に配置する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、信号線に流れる電流を検出する電流センサに関し、特に、外部磁界に対して透磁率が変化する磁気インピーダンス素子やフラックスゲートセンサ等を用いて電流を検出する電流センサ及びそれを用いた電流検知ユニットに関するものである。

従来、電流を検知する電流センサとしては、カレントトランスやホール素子が主に使用されてきたが、近年、ハイブリッド車、電気自動車の登場や省エネルギーに対する電力監視強化等で、更に電流センサのニーズが高まっている。

従来、ホール素子を用いた電流センサは、図８に示すように電流線１００を囲むＣ字状の磁気コア１０２で磁気回路が構成され、そのギャップ部にホール素子１０４が配置されている（非特許文献１参照）。ホール素子１０４は強磁性体でないため飽和が無く、強磁界下でも動作が可能である。しかし、磁気コア１０２は飽和の問題より、大電流ではサイズを小さく出来ない欠点がある。

そこで、磁性コアを使用しない方法としては、外部磁界に対して透磁率が変化する感度の良い磁気インピーダンス素子やフラックスゲートセンサ等を用いて、電流バーからの磁界を直接検知する方法が考えられる。
トランジスタ技術 ２００３年１２月号 １２５Ｐ（ＣＱ出版社発行）

強磁性体を用いた磁気インピーダンス素子やフラックスゲートセンサは検知磁界範囲がプラスマイナス数ガウス程度と狭く、磁気飽和しない様に扱わなくてはならない。そのためには、電流線からは単純には素子を離せばよいが、離すことでセンササイズが大きくなってしまってはセンサを変更する意味がない。

また、電流線の引き回しや周囲の電源トランスからの有害磁界が飛び込むので、磁気シールドを効率よく機能させる必要がある。特に大電流の場合には、検知対象となる電流線の引き回しによる磁界影響が大きくなり、電流検知精度の悪化につながっていた。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたもので、その目的は、大電流に対し、サイズを大型化することなく、外乱磁界に対しても強い電流センサ及びそれを用いた電流検知ユニットを提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、磁性体に直接高周波電流を流し、外部磁界によりその透磁率が変化する磁気検出素子を用いた電流センサにおいて、前記磁気検出素子の周囲を磁気シールドする磁気シールド部材と、前記磁気シールド部材内に設けられた電流線とを有し、前記電流線はＵ字形状をなし、前記磁気検出素子は、その磁界検知方向が前記Ｕ字形状の立脚部の並び方向に対して直交する方向になるように配置され、且つ、前記電流線のＵ字形状の先端近傍に配置されていることを特徴とする。

また、磁気シールドを６面体の箱構造にし、電流線を磁気シールド内部に引き込む開口部を、その１面の一部に設けることにより、外部からの有害な磁界を抑制すると共に、素子にかかる電流線からの磁界を設定することができる。

本発明によれば、高感度の磁気検出素子を電流センサに応用するに際し、磁気検出素子の周囲が磁気シールド部材で囲まれ、その磁気シールド内部に狭い開口部より電流線をＵ字状に引き込み、そのＵ字の先端付近に磁気検出素子を配置することにより、電流線からの磁界を素子特性に合った大きさに調整でき、且つ、電流線以外の外部磁界を減衰させて、Ｓ／Ｎの優れた良好な電流センサが提供可能となる。

次に、発明を実施するための最良の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の電流センサの一実施形態を示す斜視図であり、電流検知に関する磁気検出素子と電流線との相対位置関係を説明する図である。

磁気検出素子１０は、非磁性基板１２上に形成された磁性体（磁性薄膜）１４に直接高周波電流を流し、外部磁界によりその磁性体１４のインピーダンス変化が生じる磁気インピーダンス素子（ＭＩ素子）である。磁気検出素子１０のその他の形態としては、薄膜でなくアモルファスワイヤーでＭＩ素子を構成してもよい。更に、磁気検出素子１０に近接配置または巻回したコイルから出力を取り出すフラックスゲートセンサとして機能させてもよい。

図１に示すＭＩ素子は、ガラス等の非磁性基板１２上に磁性薄膜１４によりつづら折れパターンが形成されたもので、その両端に高周波電流を印加する電極１６ａ、１６ｂが形成されている。磁界検知方向は矢印Ｈｉで示すように磁性薄膜１４のパターンの長手方向になっている。

磁界の検知対象である電流線２０は、概ねＵ字状をなし、その先端部に距離ｄを隔てて、ＭＩ素子が配置されている。ＭＩ素子の磁界検知方向Ｈｉは、電流線１０のＵ字の２つの軸が並ぶ図のＸ軸方向に対して直交するＹ軸方向に合せておく。

磁気シールド１８は高透磁率で飽和磁束密度の大きい磁性材で構成されており、電流バー（電流線）２０を引き込むための開口部を持ち、磁気検出素子１０を囲んでいる。開口部を狭めているのは、外部磁界の磁気シールド効果を高めるのと、電流バー２０の磁界を規制する効果を持たせるためである。

図１に示す配置でＹ軸方向に対する断面を図２に示すが、ここで簡単な計算をしてみる。Ｕ字電流線２０をコの字形状と簡略化し、素子検知部Ａにかかる磁界のエリアを区間１，区間２，区間３と分ける。素子の検知部Ａは、Ｕ字電流線の対称位置にあるとすると、区間１，３による磁界は同じとなる。

また、電流線先端と素子との距離をｄ，先端とシールドの開口部までの距離をｌ，電流線のＵ字の間隔を２Ｓとすると、検知部Ａでの電流Ｉによる磁界は以下の通りとなる。

Ｈ１（区間１からの磁界）＝Ｉ／（４πｓ）×（ｃｏｓθ_１−ｓｉｎθ_２）
Ｈ２（区間２からの磁界）＝Ｉ／（２πｄ）×ｃｏｓθ_２
Ｈ３（区間３からの磁界）＝Ｈ１（区間１からの磁界）
但し、ｔａｎθ₁＝ｓ／（ｌ＋ｄ） ｔａｎθ₂＝ｄ／ｓ
電流線２０のＵ字の先端部に素子１０を配置する場合に、Ｕ字の両脚の延長軸間に位置するようにすれば、磁界方向は右ねじの法則よりＨ２とＨ１，Ｈ３が相対的に逆となり、Ｈ２の磁界を正として、総和を求めると、
Ｈ＝Ｉ／２π×（ｃｏｓθ_２／ｄ−ｃｏｓθ_１／ｓ＋ｓｉｎθ_２／ｓ）
となる。

例えば、ｓ＝ｄ，ｌ＝４ｓとすると、Ｈ１＝Ｈ３＝−０．１９３×Ｈ２の比率になる。磁界の総和Ｈは、Ｈ２部のみの磁界に対して、Ｈ１＋Ｈ３の寄与で３８．６％磁界を小さくできる。

素子にかかる磁界の設計としては、Ｈ２の区間を狭くすることで、まず、その部分から磁界を小さくし、更にＨ１，Ｈ３の区間によるＨ２と逆方向の磁界より、更に磁界を小さくし、電流最大値から素子にかかる最大磁界を決める。

次に、実際の構成例を用い、本発明に係る生産性の良い電流検知ユニットを説明する。その一実施形態を図３に示す。図３（ａ）は上面から見た平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のユニット内部を側面方向から見た模式図である。

電流線３０は、一部分がＵ字状に曲げられ、その部分が電流センサ本体中央部に位置するように支持部材３２にねじ３４により固定されている。また、その電流線３０のＵ字先端部を通す狭い開口部を持つシールドケース３６ａが組み付けられている。更に、Ｕ字先端部と距離ｄの規制をするためのポスト３８上に、ＭＩ素子（磁気検出素子）４０を実装した回路基板４２がねじ４４で固定されている。

ＭＩ素子４０の位置は電流線３０のＵ字先端部の真上に置くのが、前述の説明の通り電流線各部位からの磁界の極性から、磁界を最も弱める場合に好ましい。回路の電源，出力は、ケーブル４６を介してセンサの外に引き出される。センサの組立の最後に、シールドケースの蓋３６ｂが固定されている。

ここで、磁気検出素子４０は感度の良いセンサとして、高周波電流を印加して外部磁界に対して透磁率が変化し、そのインピーダンス変化を取り出す磁気インピーダンス素子や、更に近接配置または巻回させてコイルから出力を取り出すフラックスゲートセンサ素子が、小型で組み込みに適している。

図４は具体的な図３のＭＩ素子４０の構成を示す。非磁性基板に５０に磁性薄膜５２がつづら折れ状に形成され、不図示の絶縁膜を介して渦巻き状の平面コイル５４が積層されている。この磁性薄膜５２に高周波電流を直接印加する。平面コイル５４は、ＭＩ素子動作としてのバイアス印加磁界用、または、フラックスゲートセンサとしての磁性膜の磁束変化を誘導電圧として取り出すコイルとして機能する。磁性薄膜，コイルからの電極５６は、それぞれ素子の最上面に引き出され、回路基板とは面対向の半田付けか、ワイヤーボンディングで接続されている。

また、磁気検出素子４０は磁界検出方向が電流線３０の長手方向と直交するように回路基板４２に実装され、素子の上面に蓋をすべく電流線３０の反対面から磁気シールド３６ｂを被せて固定されている。磁気シールド３６ｂには、高透磁率の磁性材が好ましく、パーマロイ，アモルファス，フェライト材等が適している。特にパーマロイは、プレス抜き，曲げ又は絞り加工により生産性の良い加工が選択可能である。

次に、上述の電流検知ユニットの評価結果について説明する。磁気検出素子としては図４のものを用い、フラックスゲート動作をさせた場合の電流センサの駆動回路を図５に示す。これは、磁性薄膜５２に高周波電流を印加し、その外部磁界に対する磁束の変化をコイル５４の出力として取り出すものである。

具体的には、まず、パルス発振器６０よりバッファ６２、ＤＣ分除去用の容量６４を通して磁性薄膜５２にプラスマイナス均等に高周波電流を印加する。すると、図５（ｂ）に示すようにコイル側には磁性薄膜とコイルの近接による容量結合により、クロストーク成分がコイル側にプラス及びマイナスの鋭いピークをつくり、外部磁界に対する磁性膜内の磁束変化が、そのピークをシフトさせる動きとなる。そのピークの動きを６６ｐ，６６ｍの検波回路で取り出し、その中点を分圧抵抗６８ｐ，６８ｍで取り出すことにより、センサ出力が得られる。最終的には必要な増幅を増幅器７０で行う。

この回路構成で、５Ｖ駆動で４ＭＨｚのパルスを素子に印加し、増幅ゲイン８０倍にして評価を行った。電流線には±２００Ａを印加し、直線精度を調べた。なお、素子は磁性薄膜のＤＣ抵抗値を１５０Ωに設定し、コイルは５１Ｔとした。また、センサ内部の電流線３０のＵ字先端と素子４０の検知部との間隔ｄは、ｄ＝４ｍｍとした。

図６はＤＣ±２００Ａでの電流検知特性を示す。図６から明らかなように良好な直線性が得られていることが分かる。このデータの傾斜より磁気検出素子の感度特性から逆算すると、２００Ａで３．４ガウス（３４０μＴ）の磁界になった。素子の直線性の良好な範囲が±５ガウスであるので、大電流でも高感度センサ素子に合った磁界量に調整ができていることが分かる。

また、シールドの性能にも触れておくと、図３の箱型のシールド構造での開口部を、その面の最大まで広げてしまった場合はシールド効果は３倍程度悪くなってしまった。シールド効果を更に稼ぐ場合には、開口部を小さくしたシールドを２重にすると、１／１０００近くまで外部磁界の影響を緩和できる。

その他の素子の駆動方法として磁気インピーダンス方式も説明しておくと、図７に示すように発振回路７２よりバッファ７４を介して、磁気検出素子４０に分圧抵抗７６を通して高周波パルス電流を印加する。磁気検出素子４０の磁性薄膜５２の振幅電圧変化を検波回路７８を通し、最後に増幅回路８０を経て、出力を得る。なお、素子のコイル５４にバイアス電流を印加し、素子の感度設定を行う。

本発明に係る電流センサの一実施形態を示す斜視図である。 図１のＹ軸に対する断面を示す模式図である。 本発明に係る電流検知ユニットの一実施形態を示す図である。 図３の電流検知ユニットの磁気検出素子を詳細に示す斜視図である。 図４の電流検知ユニットの電流センサをフラックスゲート動作させる場合の駆動回路の一例を示す回路図である。 図４の電流検知ユニットの電流検知特性を示す図である。 図４の電流検知ユニットの電流センサの他の駆動回路を示す回路図である。 従来例の電流センサを示す図である。

符号の説明

１０ 磁気検出素子（ＭＩ素子）
１２ 非磁性基板
１４ 磁性体（磁性薄膜）
１６ａ、１６ｂ 電極
１８ 磁気シールド
２０ 電流線
３０ 電流線
３２ 支持部材
３４ ねじ
３６ａ シールドケース
３６ｂ 蓋
３８ ポスト
４０ 磁気検出素子（ＭＩ素子）
４２ 回路基板
４４ ねじ
４６ ケーブル
５０ 非磁性基板
５２ 磁性薄膜
５４ 平面コイル
５６ 電極
６０ パルス発振器
６２ バッファ
６４ 容量
６６ｐ、６６ｍ 検波回路
６８ｐ、６８ｍ 分圧抵抗
７０ 増幅器
７２ パルス発振器
７４ バッファ
７６ 分圧抵抗
７８ 検波回路
８０ 増幅器

Claims (4)

1. 磁性体に直接高周波電流を流し、外部磁界によりその透磁率が変化する磁気検出素子を用いた電流センサにおいて、前記磁気検出素子の周囲を磁気シールドする磁気シールド部材と、前記磁気シールド部材内に設けられた電流線とを有し、前記電流線はＵ字形状をなし、前記磁気検出素子は、その磁界検知方向が前記Ｕ字形状の立脚部の並び方向に対して直交する方向になるように配置され、且つ、前記電流線のＵ字形状の先端近傍に配置されていることを特徴とする電流センサ。
2. 前記磁気シールドを６面体の箱構造にし、前記電流線を磁気シールド内部に引き込む開口部を、その１面の一部に設けたことを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
3. Ｕ字形状の先端部に配置された前記磁気検出素子が、前記Ｕ字形状の両脚部の延長軸間に位置していることを特徴とする請求項１又は２に記載の電流センサ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の電流センサと、前記電流センサを内部に保持する保持部材とを有する電流検知ユニット。

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