JP2009180608A - Ｉｃチップ形電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】ＩＣチップ化された高感度磁気センサを、ケーブル等の被測定対象に流れる電流測定用に応用したＩＣチップ形電流センサを提供し、小形化と大幅な感度向上を図る。
【解決手段】被検出電流によって発生する磁界の検出により被検出電流を検出するようにした電流センサにおいて、磁気抵抗素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４で構成したブリッジ回路７と、該ブリッジ回路７の磁気抵抗素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４を磁化するセット／リセットコイル８と、該ブリッジ回路７の出力電圧調整用オフセットコイル９とを備えたＩＣチップから成る磁気センサ１０を用い、上記ブリッジ回路７の電圧出力で上記出力電圧調整用オフセットコイル９を付勢するフィードバック回路Ｆ′を形成し、該出力電圧調整用オフセットコイル９を被検出電流によって発生する磁界を常に略ゼロに近づくように制御するフィードバックコイル１７として転用したＩＣチップ形電流センサ。
【選択図】 図５

Description

本発明は主として地磁気測定に用いられている、ＩＣチップ化された高感度磁気センサを、ケーブル等の被測定対象に流れる電流測定用に応用したＩＣチップ形電流センサに関する。

従来のケーブル等に流れる電流を検出する電流センサは、図１に示すように、強磁性体から成る環状コア１の適所にギャップ２を設け、該ギャップ２内にホール素子３を配置し、図示のように、環状コア１の中心にケーブル４を通挿してケーブル４に流れる電流に比例した磁束をホール素子３で検出する構造を有する。

即ちケーブル４の周囲には該ケーブル４に流れる電流に比例した磁界が発生し、その磁束を環状コア１で集磁しつつ上記ギャップ２内に配したホール素子３で検出し、該検出磁束を電圧に変換しアンプ５を介して出力する構造を有している。

而して上記在来型電流センサはホール素子の検出感度が低いので、数アンペア以下の低電流を正確に検出することが困難であり、その使用範囲が例えば数十アンペア以上の電流測定用に限定される問題と、感度を上げるためには大径の環状コアの使用が不可欠となりセンサ全体の大形化を招来する問題を有していた。

又従来は上記ホール素子３の欠点である出力の非直線性、及び温度による出力のバラツキ等を改善する手段として、図１に示すように、環状コア１にフィードバックコイル６を巻き、ホール素子３の出力、即ちアンプ５の出力で該フィードバックコイル６を付勢するフィードバック回路Ｆを形成し、該フィードバックコイル６に流れる帰還電流によって発生する磁界と、上記ケーブル４に流れる電流によって発生した磁界とを相殺し、ホール素子３の出力を常に略ゼロに近づくように制御し、該フィードバックコイル６に流れる帰還電流を抵抗で電圧に変換して出力し、上記被検出電流（ケーブル４に流れる電流）に比例した出力電圧を得るようにしている。

上記フィードバック回路によってホール素子３の非直線性及び温度による出力のバラツキ等が改善される利点を有するが、他方該フィードバック回路の形成によって構成が更に複雑となり、大形化を助長する原因となっている。

本発明は被検出電流によって発生する磁界の検出により被検出電流を検出するようにした電流センサにおいて、磁気抵抗素子で構成したブリッジ回路と、該ブリッジ回路の磁気抵抗素子を磁化するセット／リセットコイルと、該ブリッジ回路の出力電圧調整用オフセットコイルとを備えたＩＣチップから成る磁気センサを用い、上記ブリッジ回路の電圧出力で上記出力電圧調整用オフセットコイルを付勢するフィードバック回路を形成し、該出力電圧調整用オフセットコイルを被検出電流によって発生する磁界を常に略ゼロに近づくように制御するフィードバックコイルとして転用し、小形化にして且つ高精度のＩＣチップ形電流センサの提供を可能にしたものである。

上記磁気センサは概略０．５ガウス程度の地磁気を検出する感度を有する。この地磁気は電流センサとして応用する場合、外乱要因となるため、上記ＩＣチップ形電流センサはブリッジ回路への地磁気と外部磁気の入力を遮断する磁気シールドで保護する。

又上記ＩＣチップ形電流センサをケーブルに流れる電流を測定するセンサとして用いる場合、ケーブルを包囲する器体内に保有せしめ、ケーブルの導線からの距離が常に一定距離となるようにＩＣチップ形電流センサを設置して電流検出が行えるようにする。

上記シールドを使用する場合、該シールドは上記ケーブルとＩＣチップ形電流センサを包囲するように器体と一体に配設する。

本発明はＩＣチップ化された磁気センサの電流センサへの転用目的を達成し、高精度で且つ小形のＩＣチップ形電流センサの提供を可能にしたものである。

又本発明は磁気センサを構成している出力電圧調整用オフセットコイルを電流センサを構成する上で不可欠なフィードバックコイルとして使用することにより、新たなフィードバックコイルを設けることなく、即ちＩＣチップ化された磁気センサに手を加えることなく、同フィードバックコイルを内蔵した小形で且つ安価なＩＣチップ形電流センサを提供できる。

以下本発明を実施するための最良の形態を図２乃至図７に基づき説明する。
図２に示すように、磁気センサー１０は、強磁性体から成る磁気抵抗素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４をブリッジに組んだブリッジ回路７を形成する薄膜７′と、該ブリッジ回路７を磁化するセット／リセットコイル８を構成する薄膜８′と、該ブリッジ回路７の出力電圧調整用オフセットコイル９を構成する薄膜９′とを積層したＩＣチップから成る。

尚理解を助けるため、上記両コイル８，９は薄膜７′を巻装する線輪を以って図示したが、実際は絶縁膜の表面に渦巻き状にパターン形成した構造のものである。

上記セット／リセットコイル８（薄膜８′）と出力電圧調整用オフセットコイル９（薄膜９′）とブリッジ回路７（薄膜７′）の積層体は基板１１（シリコン等）上に互いに重畳して配置すると共に、両コイル８，９は互いに直交して配置し、両コイル８，９の両端とブリッジ回路７の入力端Ｖ１，Ｖ２と同出力端Ｖ３，Ｖ４の夫々を導電路１２を介して基板１１辺縁部に配置した電極１３群に接続する。

上記磁気センサ１０を構成するＩＣチップの大きさは、縦横約０．５ミリメートル程度である。従ってこれを使用するＩＣチップ形電流センサ１０′も、縦横０．５ミリメートル程度にすることができる。次にその動作について説明する。

上記電極１３と導電路１２を介して上記セット／リセットコイル８に短時間電流を流すと、ブリッジ回路７を構成する磁気抵抗素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４が磁化され、測定磁界の磁気が印加されることによって、対向する一組の磁気抵抗素子Ｒ１，Ｒ２の抵抗値が減少し、他の対向する一組の磁気抵抗素子Ｒ３，Ｒ４の抵抗値が増大してブリッジ回路７に不平衡を生じ、この結果、出力端Ｖ３，Ｖ４、即ち電極１３に測定磁界の磁気に比例した出力電圧が得られる。

図４に示すように、実際には上記磁気センサ１０を構成するＩＣチップは、絶縁材１４内に埋設してＩＣパッケージ１５、即ちＩＣパッケージにした磁気センサを形成する。

上記ＩＣチップの電極１３群はＩＣパッケージ１５の外部端子１６群にボンディング等にて接続されており、上記ブリッジ回路７の入出力端Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４と、セット／リセットコイル８の両端と、出力電圧調整用オフセットコイル９の両端の夫々が電極１３群を経由して外部端子１６群に接続されている。

前記の通り、上記磁気センサ１０が縦横０．５ミリメートル程度の大きさであるため、上記ＩＣパッケージ１５も１（厚み）×１（横）×４（縦）ミリメートル程度の大きさに製造できる。

上記磁気センサ１０及びそのＩＣパッケージ１５としては、ハネウェルインターナショナル社製磁気センサ及びそのＩＣパッケージ（型番：ＨＭＣ１０４１Ｚ）が代表例として挙げられる。

本発明は上記磁気センサ１０をケーブル４やブスバー等の被検出対象に流れる電流の検出センサとして用いたものである。以下、図４、図５Ａ，Ｂを参照しつつ、上記磁気センサ１０を用いたＩＣチップ形電流センサの具体例について説明する。

磁気センサ１０は図２、図３、図４に基づいて説明した通り、磁気抵抗素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４で構成したブリッジ回路７と、該ブリッジ回路７の磁気抵抗素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４を磁化するセット／リセットコイル８と、該ブリッジ回路７の出力電圧調整用オフセットコイル９とを備えたＩＣチップから成る。

本発明は上記出力電圧調整用オフセットコイル９を電流センサにおけるフィードバックコイル１７として用い、該フィードバックコイル１７を付勢するフィードバック回路Ｆ′を構成したものである。

上記ブリッジ回路７の出力端Ｖ３，Ｖ４からの出力（電圧）を電極１３を介してアンプ１８（増幅兼電流変換器）に入力し、該アンプ１８で増幅しつつ電流に変換し、該電流を電極１３を介してフィードバックコイル１７の一端に入力する。アンプ１８としてはオペアンプが適当である。

上記フィードバック回路Ｆ′のフィードバックコイル１７に帰還電流が流れることによって磁界が発生し、アンプ１８は該磁界とケーブル４に流れる電流によって発生した磁界とを相殺するように動作する。

これにより、フィードバックコイル１７の他端（フィードバック回路Ｆ′の出力側端部）に接続された抵抗ＲＬによって定まるケーブル４に流れる電流に比例した電圧がフィードバック回路Ｆ′の出力端、即ち抵抗ＲＬの両端から出力される。

上記フィードバック回路Ｆ′は、上記被検出電流によって発生する磁界を上記フィードバック回路Ｆ′に流れる帰還電流によって発生する磁界と相殺し、ブリッジ回路７の出力が常に略ゼロに近づくように制御する。

本発明は磁気センサ１０の出力電圧調整用オフセットコイル９を、上記の通り、フィードバック回路Ｆ′のフィードバックコイル１７として構成し、該フィードバック回路Ｆ′を備える図５Ｂに示すセンサ１０′、又は図４に示す該センサ１０′を内蔵せるＩＣパッケージ１５をＩＣチップ形電流センサとして用いたものである。ＩＣパッケージ１５の構造については前記の通りである。

よって小形化にして且つ高精度のＩＣチップ形電流センサの提供を可能にしたものである。

好ましい実施例として、上記磁気センサ１０は概略０．５ガウス程度の地磁気を検出する非常に高い感度を有し、この地磁気は電流センサとして応用する場合、外乱要因となるため、図５Ａに示すように、上記ＩＣチップ形電流センサを構成するブリッジ回路７、即ち磁気抵抗素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４素子への地磁気と外部磁気の入力を遮断する磁気シールド１９で保護する。

次に図６、図７に示すように、上記ＩＣチップ形電流センサ１０′又はＩＣパッケージ１５をケーブル４に流れる電流を測定するセンサとして用いる場合、ケーブル４を包囲する器体２０を用意し、該器体２０内に上記ＩＣチップ形電流センサ１０′又はＩＣパッケージ１５を保有せしめ、ケーブル４の導線からの距離が常に一定距離となるようにＩＣチップ形電流センサ１０′又はＩＣパッケージ１５を設置して電流検出が行えるようにする。

上記器体２０は中央部にケーブル挿通孔２１を有する筒形の非磁性材によって形成し、例えば合成樹脂、又はアルミニウムに代表される非磁性金属にて筒形に形成し、そのケーブル挿通孔２１内にケーブル４を挿通し、上記ＩＣチップ形電流センサ１０′又はＩＣパッケージ１５をケーブル４外周の所定位置に配置する。

具体例として、上記器体２０はケーブル挿通孔２１の内周面をケーブル４の外周面に接してケーブル４を捕捉するようにし、ケーブル導線２２に対する相対位置を設定し、移動不可にする。

上記ケーブル挿通孔２１内へのケーブル挿通を容易にする例示として、上記器体２０を分割可能な構造にする。即ち対向する一母線上を開閉ヒンジとし、他の一母線上を開閉口とし、該開閉口を閉鎖状態に保持するロック手段を設ける。

上記磁気シールド１９を使用する場合、該シールド１９は上記ケーブル４とＩＣチップ形電流センサ１０′又はＩＣパッケージ１５を包囲するように器体２０と一体に配設する。例えば器体２０の外周面を覆うように配巡する。又は器体２０の外周面とケーブル４の延在方向の両端面を覆うように配巡する。

上記ＩＣチップ形電流センサ１０′又はＩＣパッケージ１５は上記器体２０を用いずに、ケーブル４の外面に接着等して使用できる。

又はケーブル４が被覆ケーブルの場合、該被覆内に上記ＩＣチップ形電流センサ１０′又はＩＣパッケージ１５を埋設する使用形態を採ることができる。

上記ＩＣチップ形電流センサ１０′又はＩＣパッケージ１５は、配線回路基板２３上に搭載し、上記器体２０に保有せしめる。該器体２０にはコンピュータやモニタ装置等に接続する端子を設け、ケーブル２４を介してこれらと接続する。

又上記配線基板２３上には、ＩＣチップ形電流センサ１０′又はＩＣパッケージ１５と協働するアンプやＡＤコンバータやＣＰＵ等の制御回路を搭載し、電流センサ１０′を構成できる。又上記制御回路をＩＣパッケージ１５内に内蔵できる。

従来のホール素子形電流センサを概示する側面図。 磁気センサの原理構造を示す平面図。 磁気センサを構成する、従って電流センサを構成するブリッジ回路図。 上記磁気センサを内蔵せる、従って電流センサを内蔵せるＩＣパッケージの斜視図。 ＡはＩＣパッケージ化した電流センサの使用例を示す回路図、Ｂはフィードバック回路を設けた電流センサの回路図。 上記電流センサ又はＩＣパッケージをケーブルの電流センサとして用いた場合を例示する、器体構造を開放状態を以って示す斜視図。 同器体構造をケーブルを挿通した装着構造を以って示す断面図。

符号の説明

Ｖ１，Ｖ２…ブリッジ回路の入力端、Ｖ３，Ｖ４……ブリッジ回路の出力端、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４…磁気抵抗素子、４…ケーブル、７…ブリッジ回路、７′…ブリッジ回路を構成する薄膜、８…セット／リセットコイル、８′…セット／リセットコイルを構成する薄膜、９…出力電圧調整用オフセットコイル、９′…出力電圧調整用オフセットコイルを構成する薄膜、１０…磁気センサ、１０′…ＩＣチップ形電流センサ、１１…基板、１２…導電路、１３…電極、１４…絶縁材、１５…ＩＣパッケージ、１６…外部端子、１７…フィードバックコイル、１８…アンプ、１９…磁気シールド、２０…器体、２１…ケーブル挿通孔、２２…ケーブル導線、２３…配線基板、２４…ケーブル、Ｆ′…フィードバック回路。

Claims (3)

1. 被検出電流によって発生する磁界の検出により被検出電流を検出するようにした電流センサにおいて、磁気抵抗素子で構成したブリッジ回路と、該ブリッジ回路の磁気抵抗素子を磁化するセット／リセットコイルと、該ブリッジ回路の出力電圧調整用オフセットコイルとを備えたＩＣチップから成る磁気センサを用い、上記ブリッジ回路の電圧出力で上記出力電圧調整用オフセットコイルを付勢するフィードバック回路を形成し、該出力電圧調整用オフセットコイルを被検出電流によって発生する磁界を常に略ゼロに近づくように制御するフィードバックコイルとして転用したことを特徴とするＩＣチップ形電流センサ。
2. 上記ブリッジ回路への地磁気と外部磁気の入力を遮断する磁気シールドを備えたことを特徴とする請求項１記載のＩＣチップ形電流センサ。
3. ケーブルを包囲する器体内に保有せしめたことを特徴とする請求項１記載のＩＣチップ形電流センサ。

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