JP2012145387A - Current sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、被測定電流が流れる電流線の周囲に発生する磁界により、被測定電流を検出する電流センサに関するものである。 The present invention relates to a current sensor that detects a current to be measured by a magnetic field generated around a current line through which the current to be measured flows.
近年、ハイブリッドカー、EV車等のバッテリーの充放電電流や、電気モーターの駆動突入電流等の数十Aから数百Aレベルの大電流を高精度に計測するための電流センサが求められている。図6は磁気抵抗素子を磁界検出素子として用いた電流センサの斜視図である。図6において、この電流センサは磁気抵抗素子1と、磁気抵抗素子1にバイアス磁界Hbを印加する永久磁石2と、電流iを流す導体3とをケース4に収容してなる。このように構成した電流センサは、電流iを導体3に流した時に発生する検出磁界Hが磁気抵抗素子1に作用して発生する抵抗変化から導体3に流れる電流の大きさが検出されるものである。この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献1が知られている。
In recent years, there has been a demand for a current sensor for accurately measuring large currents on the order of several tens of A to several hundreds of A such as charge / discharge currents of batteries of hybrid cars, EV cars, etc., and drive inrush currents of electric motors. . FIG. 6 is a perspective view of a current sensor using a magnetoresistive element as a magnetic field detecting element. In FIG. 6, the current sensor includes a case 4 that includes a magnetoresistive element 1, a
図6に示した電流センサにおいては、磁気抵抗素子1に作用する磁界が小さい場合にも、磁気抵抗素子1には大きな抵抗変化が発生するため高感度の電流測定が可能である。しかしながら、磁気抵抗素子1と導体3との距離により、電流iを導体3に流した時に磁気抵抗素子1に作用する磁界Hが大きく変化するため、磁気抵抗素子1を導体3に対して一定の位置に保持する必要があるとともに、導体3の断面形状、測定電流範囲が多岐にわたるため、磁気抵抗素子1と導体3とを収容するケース4を、電流センサを適用するセットごとに設計、製造しなければならなかった。これにより、製造コストが増大するとともに、開発期間も長期化してしまうという課題があった。
In the current sensor shown in FIG. 6, even when the magnetic field acting on the magnetoresistive element 1 is small, a large resistance change occurs in the magnetoresistive element 1 so that highly sensitive current measurement is possible. However, since the magnetic field H acting on the magnetoresistive element 1 when the current i flows through the
本発明は、上記従来の問題点を解決するもので、電流センサが適用される機器が変わっても共通に使用できる、汎用性の高い電流センサを提供することを目的とするものである。 The present invention solves the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a highly versatile current sensor that can be used in common even if a device to which the current sensor is applied changes.
上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものである。 In order to achieve the above object, the present invention has the following configuration.
本発明の請求項1に記載の発明は、磁気抵抗体を含み、電流線に流れる電流によって発生する磁界を検出する磁気検出部を内蔵する検出部と、前記検出部を第1の面上に保持し、前記第1の面と対向する第2の面側に前記電流線と当接する凸状の当接部を有するとともに、前記第2の面に隣接する第3、第4の面を有し、前記第2、第3、第4の面で構成される溝部内に前記電流線を収納するホルダ部とを備えたもので、この構成によれば、電流センサが適用される電流線の形状に応じてホルダ部のみを変更することにより、磁気抵抗素子を前記電流線に対して一定の位置に保持することができるために、同一の検出部を使用しながら多種多様なセットの電流を測定することができるという作用効果を有するものである。また電流線とホルダ部はホルダ部の第2の面に設けた凸状の当接部で当接しているために、電流線とホルダ部が面で接触する場合と比べて、電流線とホルダ部間に異物が介在して磁気抵抗素子と電流線との距離が変動する可能性を大幅に小さくできるという作用効果をも有するものである。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a detection unit including a magnetoresistor and including a magnetic detection unit for detecting a magnetic field generated by a current flowing in a current line, and the detection unit on the first surface. A convex abutting portion that abuts the current line on the second surface side facing the first surface, and has third and fourth surfaces adjacent to the second surface. And a holder portion for storing the current line in a groove portion constituted by the second, third, and fourth surfaces. According to this configuration, the current line to which the current sensor is applied is provided. By changing only the holder part according to the shape, the magnetoresistive element can be held at a fixed position with respect to the current line, so that various sets of currents can be generated while using the same detection part. It has the effect that it can be measured. In addition, since the current line and the holder part are in contact with each other at the convex contact part provided on the second surface of the holder part, the current line and the holder part are compared with the case where the current line and the holder part are in contact with each other. This also has the effect that the possibility that the distance between the magnetoresistive element and the current line fluctuates due to the presence of foreign matter between the parts can be greatly reduced.
本発明の請求項2に記載の発明は、特に、前記検出部に設けた突起部を、前記ホルダ部の第1の面から第2の面にわたって設けた貫通孔に貫挿、固定し、前記ホルダ部の第2の面から突出した前記突起部の先端を前記電流線と当接する凸状の当接部としたもので、この構成によれば、検出部に設けた突起部の先端が直接、電流線に当接するために、磁気抵抗素子と電流線との距離を正確に一定の位置に保持することができ、これにより、高精度の電流測定が可能となるという作用効果を有するものである。
In the invention according to
以上のように本発明は、磁気抵抗体を含み、電流線に流れる電流によって発生する磁界を検出する磁気検出部を内蔵する検出部と、前記検出部を第1の面上に保持し、前記第1の面と対向する第2の面側に前記電流線と当接する当接部を有するとともに、前記第2の面に隣接する第3、第4の面を有し、前記第2、第3、第4の面で構成される溝部内に前記電流線を収納するホルダ部とを備えたもので、電流センサが適用される電流線の形状に応じてホルダ部のみを変更することにより、磁気抵抗素子を前記電流線に対して一定の位置に保持することができ、これにより、同一の検出部を使用しながら多種多様なセットの電流を測定することができるという優れた効果を奏するものである。 As described above, the present invention includes a detection unit that includes a magnetoresistor and includes a magnetic detection unit that detects a magnetic field generated by a current flowing through a current line, and holds the detection unit on the first surface, The second surface facing the first surface has a contact portion that contacts the current line, and has third and fourth surfaces adjacent to the second surface, and the second, second 3, provided with a holder part for storing the current line in the groove part constituted by the fourth surface, by changing only the holder part according to the shape of the current line to which the current sensor is applied, The magnetoresistive element can be held at a fixed position with respect to the current line, thereby providing an excellent effect that a wide variety of sets of currents can be measured while using the same detection unit. It is.
(実施の形態1)
以下、実施の形態1を用いて、本発明の請求項1に記載の発明について説明する。図1は本発明の一実施の形態における電流センサ21の斜視図、図2は前記電流センサ21をA−A線で切った時の断面図であり、電気自動車あるいはハイブリッドカーのバッテリーと動力用モーターを接続する電流バー等に流れる電流を検出するのに好適なものである。
(Embodiment 1)
Hereinafter, the first aspect of the present invention will be described using the first embodiment. FIG. 1 is a perspective view of a
図1、図2において、XYZ座標系を図のようにとった時、Y軸方向に電流Iが流れる電流線22の上には、磁気抵抗体を含み、電流線22に流れる電流によって発生する磁界を検出する磁気検出部23を内蔵する検出部24と、ホルダ部25とを備えた電流センサ21が配置されている。
1 and 2, when the XYZ coordinate system is taken as shown in the figure, the
ここで、電流線22はX軸、Z軸方向の長さが各々18mm、3mmの矩形断面を有する銅等からなり、XY面上にX軸、Y軸、Z軸方向の長さが各々およそ8mm、8mm、0.5mmの磁気検出部23が配置されているものである。
Here, the
磁気検出部23は、絶縁基板上に形成された磁気抵抗素子と、この磁気抵抗素子上に絶縁層を介して形成された薄膜磁石と、絶縁基板の周囲に絶縁被覆した銅線を巻回してなるキャンセルコイルとから構成されている。
The
磁気検出部23の構成を図3を用いて簡単に説明する。図3は磁気検出部23の断面図であり、図3(a)は、磁気検出部23を水平に切った時の断面図であり、図3(b)は図3(a)をB−B線で切った時の断面図である。
The configuration of the
図3において、絶縁基板30上に印加電極31a、第1の出力電極31b、第2の出力電極31cおよびグランド電極31dの4個の電極が形成されている。また印加電極31aと第1の出力電極31bとの間には磁気抵抗体からなり蛇行形状の磁気抵抗素子32aが形成されている。同様に第1の出力電極31bとグランド電極31dとの間、印加電極31aと第2の出力電極31cとの間、第2の出力電極31cとグランド電極31dとの間には各々蛇行形状の磁気抵抗素子32b、32c、32dが形成されている。このような電気的な接続を行なうことで、磁気抵抗素子32a、32b、32c、32dはブリッジ回路を構成する。磁気抵抗素子32a、32b、32c、32dはNi−Co等の強磁性体からなる厚み約0.1μmの磁気抵抗薄膜である。また、図3において、磁気抵抗素子32aは、紙面で右斜め上に傾いた45°の方向に蛇行パターンの長手方向が位置しているが、これと隣接する磁気抵抗素子32bは、紙面で左斜め上に傾いた45°の方向に蛇行パターンの長手方向が位置しており、両者の角度は直角である。磁気抵抗素子32cと磁気抵抗素子32dとの位置関係も同様である。さらに、磁気抵抗素子32aと磁気抵抗素子32cとの位置関係も同様である。ここで、磁気抵抗素子32a、32b、32c、32dの感磁方向は各々の蛇行パターンの長手方向に直角な方向である。
In FIG. 3, four electrodes, that is, an application electrode 31a, a first output electrode 31b, a
絶縁層33は厚みが約1μmのSiO2薄膜からなり、磁気抵抗素子32a、32b、32c、32dを覆うことにより後述する薄膜磁石34との電気的絶縁を行うものである。
The insulating
薄膜磁石34は、厚みが約0.6μmのCoPt等からなり、絶縁層33の上に蒸着、スパッタ法等により形成した後、露光、エッチングによりパターニングして長手方向を有する複数の略長方体に分割されている。その発生する磁界の方向は、薄膜磁石34の長手方向の直角方向、図3における紙面左右方向である。また、薄膜磁石34は磁気抵抗素子32a、32b、32c、32dのパターンの長手方向に対し45°をなす方向に長手方向を有する複数の略長方体に分割されている。この方向は、磁気抵抗素子32a、32b、32c、32dの感磁方向に対しても45°をなす方向でもある。なお、薄膜磁石34が発生する磁界は、電流線22を流れる電流と同じ方向、すなわち、電流線22を流れる被測定電流による磁界の直角方向になるように配置される。絶縁層35はSiO2薄膜からなり、薄膜磁石34を覆うものである。
The
キャンセルコイル36は表面を絶縁被覆した銅線を巻回してなり、絶縁基板30を囲んで周回させるとともに、その巻回軸が電流Iと垂直(すなわち電流Iによって誘起される磁界と同じ方向)になるように設けられている。
The
以上の構成を備えた磁気検出部23の動作について、以下に説明をする。
The operation of the
印加電極31aには所定の電圧を印加し、グランド電極31dとの間で一定の電位差を生じさせるようにしておく。 A predetermined voltage is applied to the application electrode 31a so as to generate a constant potential difference with the ground electrode 31d.
電流線22に流れる電流が0の時、薄膜磁石34からのバイアス磁界HBのみが磁気抵抗素子32a、32b、32c、32dのそれぞれの感磁方向に対し45°をなすように印加される。このときには、磁気抵抗素子32a、32b、32c、32dの抵抗値は同一になり、ブリッジ回路の中点電位となる第1の出力電極31bと第2の出力電極31cの電位は同じになるため、電流センサからの出力は現れないことになる。
When the current flowing through the
電流線22に電流Iが流れると、この電流Iによる磁界HIが発生して磁気検出部23に印加される。このとき、磁気抵抗素子32a、32b、32c、32dには、バイアス磁界HBと電流Iによる磁界HIが合成された磁界が印加される。このとき、磁気抵抗素子32aと磁気抵抗素子32bの抵抗値は異なるものとなり、また磁気抵抗素子32cと磁気抵抗素子32dの抵抗値も異なるものとなる。このため、ブリッジ回路の平衡が破れ、第1の出力電極31bと第2の出力電極31cとの間に電位差が発生する。この電位差を負帰還することによって、前記キャンセルコイル36に負帰還電流を流し、磁気検出部23に前記被測定電流Iによる磁界と逆方向の磁界を発生させる。そして、前記第1の出力電極31bと第2の出力電極31cとの間の電位差がゼロになる時に前記キャンセルコイル36に流れる負帰還電流値から被測定電流Iを計測するものである。
When the current I flows through the
ホルダ部25は液晶ポリマーやPPS等の高耐熱樹脂を成型してなり、両側にハイブリッドカー等の車体(図示せず)への取り付け用のフランジ26を設け、中央部に半角筒状の保持部27を設けたものである。検出部24は保持部27の上面27aに取付けられ、電流線22は前記上面27aに対向する下面27bと、前記下面27bに隣接する側面27c、27dとで構成される溝部内に収納されている。そして、前記下面27bには電流線22と当接する凸状の当接部28が設けられている。
The
検出部24の保持部27への取り付けは、検出部24の底面と保持部27の上面27aとを接着して行なうことも可能であるが、本実施の形態1においては、検出部24の底面に設けた突起部24aを、保持部27の上面27aから下面27bにわたって設けた貫通孔27eに貫挿し、突起部24aと貫通孔27eを接着、溶着等の方法を用いて固定して行なうようにしている。
The
図2において、電流線22に電流Iが流れると、電流線22の周りには磁界が発生する。たとえば、電流線22に400Aの電流が流れている時、シミュレーション結果によれば、Z軸上で電流線22の上面から5mmの位置で観測される磁束密度のx方向成分Bxは8.3mTの磁界となる。ここで、磁束密度のx方向成分Bxは磁気検出部23の磁気検出素子32a、32b、32c、32dに作用して抵抗変化を発生させる磁束密度成分である。
In FIG. 2, when a current I flows through the
図4は観測位置が上記の位置から+x方向、+z方向に変位した時、磁束密度のx方向成分Bxがどのように変化するかを計算したシミュレーション結果である。この結果から、観測位置がx方向に変位しても観測される磁束密度のx方向成分Bxはほとんど変化しないのに対して、観測位置がz方向に変位した場合には観測される磁束密度のx方向成分Bxは大きく変化し、たとえば観測される磁束密度のx方向成分Bxのバラツキを±5%以下にしようとすれば、z方向の観測位置精度を±0.3mm以下とする必要があることが分かる。 FIG. 4 shows a simulation result of calculating how the x-direction component Bx of the magnetic flux density changes when the observation position is displaced from the above position in the + x direction and the + z direction. From this result, the x-direction component Bx of the observed magnetic flux density hardly changes even when the observation position is displaced in the x direction, whereas when the observation position is displaced in the z direction, the observed magnetic flux density The x-direction component Bx varies greatly. For example, if the variation in the observed x-direction component Bx of the magnetic flux density is to be ± 5% or less, the observation position accuracy in the z direction needs to be ± 0.3 mm or less. I understand that.
本発明の実施の形態1における電流センサ21においては、電流センサ21が適用される電流線22の形状に応じてホルダ部の溝幅、深さのみを変更することにより、磁気検出部23上の磁気抵抗素子と電流線22との間の特にz方向の距離を一定に保持することができるために、同一の検出部24を使用しながら多種多様なセットの電流を測定することができる。また電流線22とホルダ部25はホルダ部25の下面27bに設けた凸状の当接部28で当接しているために、電流線22とホルダ部25が面で接触する場合と比べて、電流線22とホルダ部25間に異物が介在して磁気検出部23上の磁気抵抗素子と電流線22との間の距離が変動する可能性を大幅に小さくできる。また、電流線22とホルダ部25はホルダ部25の下面27bに設けた凸状の当接部28で当接しているために、熱伝導率が小さくなり、電流線22に大電流が流れる際に発生する熱が検出部24に伝わり難くなる。これにより、磁気検出部23の温度上昇を抑えることができ、電流測定精度の温度による劣化を防止することもできるものである。なお、本発明の実施の形態1における電流センサ21においては、凸状の当接部28をホルダ部25の下面27bのみに設けたが、検出部24の底面またはホルダ部25の上面27aにも同様な当接部を設け、ホルダ部25の上面27aと検出部24をこの当接部にて当接させることにより、検出部24とホルダ部25間に異物が介在して磁気検出部23上の磁気抵抗素子と電流線22との間の距離が変動する可能性をさらに小さくできるとともに、磁気検出部23の温度上昇をさらに抑えることができる。
In the
(実施の形態2)
以下、実施の形態2を用いて、本発明の特に請求項2に記載の発明について説明する。図5は本発明の実施の形態2における電流センサの断面図を示したものである。なお、この本発明の実施の形態2においては、上記した本発明の実施の形態1の構成と同様の構成を有するものについては、同一符号を付しており、その説明は省略する。
(Embodiment 2)
The second aspect of the present invention will be described below with reference to the second embodiment. FIG. 5 shows a cross-sectional view of a current sensor according to
図5において、本発明の実施の形態2が上記した本発明の実施の形態1と相違する点は、前記ホルダ部25の保持部27の上面27aから下面27bにわたって設けた貫通孔27eに貫挿、固定した前記検出部24に設けた突起部24aの先端を前記電流線22と当接する凸状の当接部29とした点であり、その他の構成は図2に示したものと同様である。このように構成した電流センサにおいては、検出部24と電流線22との間の距離が検出部24の底面に設けた突起部24aの長さにより一義的に決定されるため、磁気検出部23上の磁気抵抗素子と電流線22との間の特にz方向の距離を一定に保持することができ、電流センサが適用される電流線22の形状に応じてホルダ部のみを変更することにより、磁気抵抗素子を前記電流線22に対してさらに正確に一定の位置に保持することができるものである。
5, the second embodiment of the present invention is different from the first embodiment of the present invention described above in that it is inserted into a through hole 27 e provided from the
本発明に係る電流センサは電流センサが適用される電流線の形状に応じてホルダ部のみを変更することにより、磁気抵抗素子を前記電流線に対して一定の位置に保持することができ、これにより、同一の検出部を使用しながら多種多様なセットの電流を測定することができる、という効果を有するものであり、特に、車両、産業機器等内における電流を検出する電流センサとして有用なものである。 The current sensor according to the present invention can hold the magnetoresistive element at a fixed position with respect to the current line by changing only the holder portion according to the shape of the current line to which the current sensor is applied. Can be used to measure a wide variety of sets of currents while using the same detector, and is particularly useful as a current sensor for detecting currents in vehicles, industrial equipment, etc. It is.
21 電流センサ
22 電流線
24 検出部
24a 突起部
25 ホルダ部
28、29 凸状の当接部
21
Claims (2)
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103760476A (en) * | 2013-12-24 | 2014-04-30 | 兰州空间技术物理研究所 | Device, system and method for testing internal discharge of cables for satellite |
JP2016178799A (en) * | 2015-03-20 | 2016-10-06 | 株式会社デンソー | Control device for rotary electric machine |
-
2011
- 2011-01-11 JP JP2011002683A patent/JP2012145387A/en active Pending
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