JP2008039734A - Current sensor - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、分流した被測定電流線に流れる電流を測定する電流センサおよびその設置方法に関するものである。 The present invention relates to a current sensor for measuring a current flowing in a current line to be measured and a method for installing the current sensor.
従来の分流した被測定電流線に流れる電流を測定するものとしては、一次導体の中央部分に小窓を開口し、中央部位に磁気センサを配置したものがある(例えば、特許文献1参照)。
また、他の一次導体の分流形状として、中央部分に斜めにスリットを入れたものがある(例えば、特許文献2参照)。
As a conventional method for measuring the current flowing through the current line to be measured, a small window is opened at the central portion of the primary conductor, and a magnetic sensor is disposed at the central portion (for example, see Patent Document 1).
Further, as another shunting shape of the primary conductor, there is one in which a slit is obliquely formed in the central portion (for example, see Patent Document 2).
従来の電流センサとして、4つの磁気抵抗効果素子からなるブリッジ回路を鏡対称的に配置したものがある(例えば、特許文献3参照)。 As a conventional current sensor, there is one in which bridge circuits composed of four magnetoresistive elements are arranged in a mirror-symmetric manner (see, for example, Patent Document 3).
上記特許文献3に開示されている電流センサの一次導体はU字型構造で、ブリッジ回路の左右の各ハーフブリッジに逆方向磁界が印加され、一様な外部磁界を除去する利点があるが、大電流測定が困難であり、一般的な直線状導体に対してU字型導体は製造工程上なじまないという問題点があった。
The primary conductor of the current sensor disclosed in
大電流の測定には、上記特許文献1または2に開示されている一次導体の分流部における測定が有効である。しかし4つの磁気抵抗効果素子からなるブリッジ回路を有するセンサ基板を分流部に設置する場合、一次導体に対して垂直あるいはある角度をもって設置する必要があるため、一次導体に対する位置決めが容易でなく、また一次導体に対して凸部が生じるという問題点があった。
For the measurement of a large current, the measurement at the shunt portion of the primary conductor disclosed in
また、上記特許文献2に開示されているスリット構造での分流構造では、センサ基板を垂直に設置する必要はないものの、一次導体に対して角度を持って設置する必要があり、一次導体に対して凸部が生じるという問題点があった。
In addition, in the shunt structure with the slit structure disclosed in
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、一様な外部磁界を除去すると共に、大電流の測定が可能な、小型かつ設置が容易である電流センサおよびその設置方法を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems. A current sensor that can remove a uniform external magnetic field and can measure a large current, is small and easy to install, and a method for installing the current sensor. The purpose is to obtain.
上記目的を達成するため、本発明に係る電流センサは、請求項1に記載したように、設置基板上に配置され、互いに逆方向の磁界の増加に応じて抵抗値が共に増加する磁気抵抗効果特性を有する第1および第4の磁気抵抗効果素子と、上記設置基板上に配置され、互いに逆方向の上記磁界の増加に応じて抵抗値が共に減少する磁気抵抗効果特性を有する第2および第3の磁気抵抗効果素子と、上記設置基板上に配置され、上記第1から第4の磁気抵抗効果素子を接続することにより、上記第1および第2の磁気抵抗効果素子により第1のハーフブリッジ回路、および上記第3および第4の磁気抵抗効果素子による第2のハーフブリッジ回路からなるブリッジ回路を構成する接続電流線とを備えた、上記設置基板の中心線に対して分けられた一方の領域に上記第1のハーフブリッジ回路が配置されると共に、他方の領域に上記第2のハーフブリッジ回路が配置されたセンサ基板、および少なくとも1つの開口部を有する一次導体を備え、一次導体に設けた、上記開口部によって分けられた少なくとも2つの分流導体は、一方の分流導体下面と、他方の分流導体の上面が所定の空隙部をもって点対称的に配置されると共に、上記空隙部に上記センサ基板が略平行に配置されたことを特徴とするものである。
In order to achieve the above object, a current sensor according to the present invention is arranged on an installation board as described in
上記発明は、次のように具体化するのがよい。
即ち、請求項2に記載したように、1つの開口部を有する一本の一次導体を備え、一次導体に設けた、上記開口部によって分けられた2つの分流導体は、同一な断面形状を有し、一方の分流導体下面と、他方の分流導体の上面が所定の空隙部をもって点対称的に配置された構成となす。
The above invention is preferably embodied as follows.
That is, as described in
また請求項3に記載したように、1つの開口部を有する一本の一次導体を備え、一次導体に設けた、上記開口部によって分けられた2つの分流導体は、異なる断面形状を有し、一方の分流導体下面と、他方の分流導体の上面が所定の空隙部をもって配置された構成となす。
Further, as described in
また請求項4に記載したように、センサ基板の1部と分流導体の一部を、密着して、あるいは補助部材を介して密着して固定する、少なくとも1つの取付部材を備えた構成となす。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a configuration including at least one attachment member that fixes a part of the sensor substrate and a part of the shunt conductor in close contact with each other or in close contact through an auxiliary member. .
さらには請求項5に記載したように、外乱電界を除去する電界シールドカバーをセンサ基板の上方、または下方、または両方に備えた構成となす。
Furthermore, as described in
この発明によれば、設置基板上に4つの磁気抵抗効果素子で、設置基板の中心線に対して分けられた一方の領域に第1のハーフブリッジ回路が配置されると共に、他方の領域に第2のハーフブリッジ回路が配置され、それぞれのハーフブリッジ回路に逆方向の磁界が印加される構造のため、一様な外部磁界を除去すると共に、一次導体を分流構造としたため大電流の測定が可能となり、分流導体の空隙部にセンサ基板を略平行に設置したため一次導体を含めた電流センサの構造が小型で、かつセンサ基板の設置が容易となる効果がある。 According to the present invention, the first half-bridge circuit is arranged in one area separated from the center line of the installation board by four magnetoresistive elements on the installation board, and the first area is arranged in the other area. 2 half-bridge circuits are arranged, and a magnetic field in the opposite direction is applied to each half-bridge circuit, so that a uniform external magnetic field is removed and the primary conductor has a shunt structure, allowing measurement of large currents. Thus, since the sensor substrate is installed substantially parallel to the gap portion of the shunt conductor, the structure of the current sensor including the primary conductor is small, and the sensor substrate can be easily installed.
<実施の形態1>
図1はこの発明の実施の形態1による電流センサの斜視図、図2はこの発明の実施の形態1による電流センサの平面図、図3は図2の側面図、図4は図2におけるAA断面を示す断面図である。これらの図において、電流センサは、被測定電流検出部1、センサ回路部15を有するセンサ基板12と、一次導体9、およびそれらを固定する取付部材14により構成される。
<
1 is a perspective view of a current sensor according to
まず、被測定電流検出部1の構成について説明する。
図5は被測定電流検出部1の平面図を示すもので、設置基板2の中心線3によって2つの領域に分けられ、それぞれの領域に磁気抵抗効果素子4a、4b、磁気抵抗効果素子4c、4dが線対称に等しく配置される。4つの磁気抵抗効果素子4a〜4dは、設置基板2の中心線3に対して相互に平行方向に配置され、磁気抵抗効果素子4a、4dは、互いに逆方向の磁界の増加に応じて抵抗値が共に増加する磁気抵抗効果特性を有するように、また、磁気抵抗効果素子4b、4cは、互いに逆方向の磁界の増加に応じて抵抗値が共に減少する磁気抵抗効果特性を有するように、図には省略したが、磁気抵抗効果素子上にはバーバーポール電極構造が形成されている。
First, the configuration of the measured
FIG. 5 shows a plan view of the measured
なお、4つの磁気抵抗効果素子4はそれぞれ1本で構成したが、クランク形状に複数の磁気抵抗効果素子を接続し、線路長を長く構成してもよい。また、中心線3上の中心点に対して点対称に構成してもよい。
In addition, although the four
接続電流線6は、4つの磁気抵抗効果素子4間を接続することにより、ブリッジ回路を構成するものである。
The connection
図6はこの発明の実施の形態1による電流センサの被測定電流検出部を示す構成概略図であり、図において、4つの磁気抵抗効果素子4間を接続することにより、磁気抵抗効果素子4a、4bの直列接続からなるハーフブリッジ回路(第1のハーフブリッジ回路)7a、磁気抵抗効果素子4c、4dの直列接続からなるハーブリッジ回路(第2のハーフブリッジ回路)7bの並列接続からなるブリッジ回路8を構成するものである。
FIG. 6 is a schematic configuration diagram showing a measured current detection unit of the current sensor according to
接続エリア(第1の接続エリア)5aは、ブリッジ回路8の磁気抵抗効果素子4a、4c間の接続電流線6に接続され、接続エリア(第2の接続エリア)5bは、ブリッジ回路8の磁気抵抗効果素子4b、4d間の接続電流線6に接続され、接絖エリア5a、5bからブリッジ回路8に電圧が供給されるものである。接続エリア(第3の接続エリア)5cは、ブリッジ回路8の磁気抵抗効果素子4a、4b間の接続電流線6に接続され、接続エリア(第4の接続エリア)5dは、ブリッジ回路8の磁気抵抗効果素子4c、4d間の接続電流線6に接続され、接続エリア5c、5dからブリッジ回路8の出力電圧が検出されるものである。
The connection area (first connection area) 5 a is connected to the connection
なお、図5および図6には示していないが、設置基板2上の4つの磁気抵抗効果素子4a〜4dの上方、または下方、または両方に絶縁層を介して補償導電線を配置し、ブリッジ回路8の出力電圧に基づいて、補償導電線に4つの磁気抵抗効果素子4近傍に発生する磁界を打ち消すような電流を供給する構成としてもよい。
Although not shown in FIGS. 5 and 6, a compensating conductive line is disposed above, below, or both of the four magnetoresistive elements 4 a to 4 d on the
次に、電流センサの全体構成について説明する。
被測定電流を印加する一次導体9は、中心線3上に空隙部11を有し、空隙部11によって2本の分流導体10a、10bに分かれている。この空隙部11は、図3で示されるように、一次導体9を側面方向からみても、ある空隙部11を有している。つまり分流導体10は、一方の分流導体10aの下面と、他方の分流導体10bの上面が、センサ基板12を挿入できるだけの空隙部11を有し、かつ分流導体10を断面から見たとき、それぞれが点対称的に配置されたものとなされている。
Next, the overall configuration of the current sensor will be described.
The
このとき対称の中心に被測定電流検出部1が設置されるよう、被測定電流検出部1は、センサ基板12上の中心線上に設けられた設置基板取付部13に設置される。一次導体9、センサ基板12、被測定電流検出部1のそれぞれの中心線は一致するように設置される。設置基板取付部13は、被測定電流検出部1を対称の中心に設置するために、断面から見てセンサ基板12の中央に位置するよう凹部形状となっている。ここでそれぞれの分流導体断面は、同一形状であり、断面積は印加する電流値に応じて決定される。また、このような一次導体形状は、直線状導体であり、打ち抜き加工と曲げ加工等により容易に作製される。
At this time, the measured
センサ基板12上には、被測定電流検出部1とともにセンサ回路部15を配置する。センサ回路部15は、被測定電流検出部1の接続エリア5a、5bにブリッジ回路8の電圧を供給すると共に、ブリッジ回路8の出力電圧を適度な増幅を施して出力する。あるいは、補償導電線を配置した構成では、図7に示すようにブリッジ回路8の出力電圧に基づいて、補償導電線16に4つの磁気抵抗効果素子4近傍に発生する磁界を打ち消すような電流をオペアンプ17から供給するものである。
On the
センサ基板12と一次導体9は、取付部材14を用いて、それぞれを挟み込むようにして固定する。安定して固定するためには、取付部材14を2個用いて、センサ基板12の両側を固定するのが望ましい。取付部材14は、特に材料を限定しないが非磁性で、経時劣化の少ないものが望ましい。
The
次に、電流センサの動作について、補償導電線を有する場合について説明する。
一次導体9に電流が流れると、2本の分流導体10a、10bには、共に電流の方向に対して図4の破線に示すように右回転の磁界がその電流の大きさに応じて発生するので、被測定電流検出部1では、例えば図5において磁気抵抗効果素子4a、4bには、中心線3より紙面左側の向きに磁界が加わり、また、磁気抵抗効果素子4c、4dには、中心線3より紙面右側の向きに磁界が加わる。磁気抵抗効果素子4a、4dは、共に磁界の増加に応じて抵抗値が増加すると共に、磁界の減少に応じて抵抗値が減少する磁気抵抗効果特性を有するように、また、磁気抵抗効果素子4b、4cは、逆に磁界の増加に応じて抵抗値が減少すると共に、磁界の減少に応じて抵抗値が増加する磁気抵抗効果特性を有するように構成されている。
Next, the operation of the current sensor will be described in the case where a compensation conductive line is provided.
When a current flows through the
よって、1次導体9に流れる電流の増加に応じて磁気抵抗効果素子4a、4dの抵抗値が増加すると共に、磁気抵抗効果素子4b、4cの抵抗値が減少し、また一次導体9に流れる電流の減少に応じて磁気抵抗効果素子4a、4dの抵抗値が減少すると共に、磁気抵抗効果素子4b、4cの抵抗値が増加する。
Therefore, as the current flowing through the
このように、一次導体9に流れる電流の大きさに応じてブリッジ回路8の平衡が崩れる。このとき、センサ回路部15では、被測定電流検出部1の接続エリア5c,5dから検出される出力電圧に基づいて、磁気抵抗効果素子4a〜4d近傍に発生する磁界を打ち消すような電流(制御電流)を補償導電線に供給する。具体的には接続エリア5c、5dの出力電圧がゼロになるように、制御電流の大きさを調整する。補償導電線は、その制御電流の大きさに応じて4つの磁気抵抗効果素子4a〜4d近傍に発生する磁界、すなわち一次導体9に流れる電流の大きさに応じた磁界を相殺するような磁界を発生する。
In this way, the balance of the
したがって、1次導体9に流れる電流の大きさに応じたブリッジ回路8の平衡の崩れを、センサ回路部15から供給される制御電流により修復することができる。
ゆえに、センサ回路部15から供給した制御電流の大きさが、一次導体9に流れる電流の大きさ,または一次導体9に流れる電流の大きさに相関のある値として検出することができる。
Therefore, the imbalance of the
Therefore, the magnitude of the control current supplied from the
なお、一次導体9以外において発生される外乱磁界は、磁気抵抗効果素子4a、4bと磁気抵抗効果素予4c、4d(ブリッジ回路の左右の各ハーフブリッジ回路)に同相の影響となるため、相殺され、測定精度に影響を与えない。
The disturbing magnetic field generated outside the
また、本実施の形態では、2本の分流導体10a、10bの例を示したが、図8に示すように複数本(ここでは3本)の分流導体10a、10b、10cを用いたものでも構わない。 Further, in the present embodiment, the example of the two shunt conductors 10a and 10b is shown. However, as shown in FIG. 8, a plurality of (here, three) shunt conductors 10a, 10b, and 10c may be used. I do not care.
以上のように、この実施の形態1によれば、設置基板上に4つの磁気抵抗効果素子4で、設置基板12の中心線3に対して分けられた一方の領域に第1のハーフブリッジ回路が配置されると共に、他方の領域に第2のハーフブリッジ回路が配置され、それぞれのハーフブリッジ回路に逆方向の磁界が印加される構造のため、一様な外部磁界を除去することができる。
As described above, according to the first embodiment, four
また、一次導体9を分流構造としたため大電流の測定が可能となり、分流導体10a、10bの空隙部11にセンサ基板12を略平行に設置したため一次導体9を含めた電流センサの構造が小型で、かつセンサ基板12の設置が容易となる効果がある。
Further, since the
<実施の形態2>
図9は、この発明の実施の形態2による電流センサを示す断面図であり、図において、被測定電流検出部1はセンサ基板12上の、凹部形状をとらないフラットな設置基板取付部13に設置される。被測定電流検出部1を対称の中心に設置するために、センサ基板12と分流導体10の設置部分において、センサ基板12の一方は分流導体10bに直接設置した形態となるが、他方は補助部材14aを介しての設置となる。そのため取付部材14をセンサ基板12の両側に各1個使用する場合、一方の取付部材14はセンサ基板12と分流導体10を、他方はセンサ基板12と分流導体10と補助部材14aを挟み込むようにして固定する。
<
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a current sensor according to
実施の形態2は、実施の形態1に補助部材14aを付加し、一部を変形した構造であり、その他の構成で重複する部分は省略する。
なお、本実施の形態においては、補助部材14aを片側に1つ設置した例を示したが、1つに限ったものではなく、両側、あるいは複数個設置して、被測定電流検出部1を対称の中心に設置するように調整してもよい。
The second embodiment has a structure in which the auxiliary member 14a is added to the first embodiment and a part thereof is deformed, and the overlapping parts in other configurations are omitted.
In the present embodiment, an example in which one auxiliary member 14a is installed on one side has been shown. However, the auxiliary member 14a is not limited to one. You may adjust so that it may install in the center of symmetry.
以上のように,この実施の形態2によれば、凹部を設けないセンサ基板12上のフラットな面に、被測定電流検出部1を設置する構成としたので,センサ回路部15との接続等、電流センサの製造工程が簡略化され、低コスト化が可能となる。
As described above, according to the second embodiment, since the measured
<実施の形態3>
図10は、この発明の実施の形態3による電流センサを示す断面図であり,図において、2つの分流導体10a、10bは異なる形状を有し、被測定電流検出部1は紙面の面内に分布する磁界がゼロとなる個所に、図5に示した被測定電流検出部1の中心線3と磁気がゼロとなる個所とが一致するように設置するものである。
<Third embodiment>
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a current sensor according to
形状の異なる、非対称な分流導体10に被測定電流検出部1を設置するようにしたので、分流導体部分における電流の分流比が、例えば9:1の場合には、形状の同じ対称な分流導体に流れる電流を測定する場合に比べて、1/5の電流を測定するだけで済む。このことから、センサ回路部15の容量等を小型化することができる。換言すれば、小型の電流センサで大きな電流を測定することができる。
Since the current-to-
以上のように、この実施の形態3によれば、2つの分流導体10a,l0bが異なる形状を有し、被測定電流検出部1は紙面の面内に分布する磁界がゼロとなる個所に、被測定電流検出部1の中心線3と磁気がゼロとなる個所とが一致するように設置する構成としたので、分流比を下げることができ、大電流の測定が容易に可能となる。
As described above, according to the third embodiment, the two shunt conductors 10a and 10b have different shapes, and the measured
<実施の形態4>
図11は、この発明の実施の形態4による電流センサを示す断面図であり、図において、電界シールド層17は、被測定電流検出部1の表面側に絶縁層を介して覆うとともに、被測定電流検出部1の裏面側にもセンサ基板12の内層として設置したものである。その他の構成については、図4と同一であるので重複する説明を省略する。
<
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a current sensor according to
この電界シールド層17は、電気伝導性を有する非磁性体で、図11には示していないが接地されている。この実施の形態4では、被測定電流検出部1を上下方向から挟み込むように電界シールド層17を設置する形態であるが、センサ基板12を含めて全体を覆うケース状の電界シールド力バーであってもよい。このように電界シールド層17を設けることにより、設置場所における電気的なノイズの影響を受けず、外乱電界をシールドすることが可能となり電流検出精度がより向上する。
The electric
以上のように、この実施の形態4によれば、電界シールド層17を設けるように構成したので、外乱電界を除去し、測定精度を向上させることができる。
As described above, according to the fourth embodiment, since the electric
1 被測定電流検出部
2 設置基板
3 中心線
4 磁気抵抗効果素子
5 接続エリア
6 接続電流線
7 ハーフブリッジ回路
8 ブリッジ回路
9 一次導体
10 分流導体
11 空隙部
12 センサ基板
13 設置基板取付部
14 取付部材
14a 補助部材
15 センサ回路部
16 補償導電線
17 電界シールド
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