JP2012145532A

JP2012145532A - 電流センサ

Info

Publication number: JP2012145532A
Application number: JP2011005811A
Authority: JP
Inventors: Masanori Samejima; 正憲鮫島; Hideo Okoshi; 偉生大越
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2011-01-14
Filing date: 2011-01-14
Publication date: 2012-08-02

Abstract

【課題】本発明は、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。
【解決手段】検出部２４と、検出部２４を第１の面上に保持するホルダ部２５とを備えた電流センサであって、ホルダ部２５は、第１の面と対向する第２の面側に電流線２２と当接する突起部２８を有するとともに、第２の面に隣接する第３、第４の面を有し、第２、第３、第４の面で構成される溝部内に電流線２２を収納する収納部２７と、収納部２７と連結され電流線２２とは異なる場所に固定される固定部２６とから構成されたものである。
【選択図】図２

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。

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５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５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。

特開平１−２９９４８１号公報

図５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。

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。

上記目的を達成するために、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、検出部を第１の面上に保持するホルダ部とを備えた電流センサであって、ホルダ部は、第１の面と対向する第２の面側に電流線と当接する突起部を有するとともに、第２の面に隣接する第３、第４の面を有し、第２、第３、第４の面で構成される溝部内に電流線を収納する収納部と、この収納部と連結され電流線とは異なる場所に固定される固定部とから構成されているものである。

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の面に設けた突起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。

以上のように本発明は、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優れた効果を奏するものである。

本発明の実施の形態１における電流センサの斜視図同電流センサにおけるＡ−Ａ線断面図本発明の実施の形態１における磁気検出部の断面図磁束密度の観測位置が初期位置から＋ｘ方向、＋ｚ方向に変位した時の、磁束密度のｘ方向成分Ｂｘの変化を示すシミュレーション結果を示す図従来の電流センサの斜視図

（実施の形態１）
以下、実施の形態１を用いて、本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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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４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。

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。

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。

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。

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Ｈ_B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度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。

電流線２２に電流Ｉが流れると、この電流Ｉによる磁界Ｈ_I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Ｈ_Bと電流Ｉによる磁界Ｈ_I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。

図１、図２に示すように、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、中央部に半角筒状の収納部２７を設け、収納部２７と連結され、その両側にハイブリッドカー等の車体（図示せず）への取り付け用の固定部２６を設けたものである。固定部２６は、電流線２２とは異なる場所に取り付けられるため、電流線２２が高温になっても、その熱が磁気検出部２３の方に伝わりにくくなっている。

検出部２４は収納部２７の上面２７ａに取付けられ、電流線２２は上面２７ａに対向する下面２７ｂと、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、下面２７ｂには電流線２２と当接する突起部２８が設けられている。突起部２８は同じ高さで３ヶ以上設けることにより、電流線２２と当接させたときに電流線２２と下面２７ｂを一定の距離で平行に保つことができる。なお、この突起部２８の先端部は尖った形状とすることが望ましい。このようにすることにより、電流線２２と突起部２８とはほぼ点接触となるため、大電流が流れることにより電流線２２が発熱しても、その熱が磁気検出部２３の方に伝わりにくくなり、精度良く電流値を検知することができる。

以上のように構成することにより、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。

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。

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２５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は収納部２７の下面２７ｂに設けた突起部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は収納部２７の下面２７ｂに設けた突起部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。

さらに下面２７ｂに隣接する側面２７ｃにも第２の突起部２９を設け、電流線２２の側面に当接させることが望ましい。このようにすることにより、ｘ方向へのズレがなくなるため、さらに精度を向上させることができる。この場合、ｙ方向に沿って２個設けることにより、回転方向のズレが無くなり、さらに精度を向上させることができる。

また、電流線が複数本平行に設置され、これらに流れる電流を個別に測定しようとする場合、それぞれの電流線を収納する複数個の収納部を設けた１つのホルダ部を用い、それぞれの収納部の上面に、それぞれの検出部を設けた電流センサを用いることが望ましい。このようにすることにより、実装する手間が省けるとともに、それぞれの検出部で検出される電流値のバラツキを抑えることができ、精度の高い電流センサを得ることができる。

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。

２１電流センサ
２２電流線
２３磁気検出部
２４検出部
２５ホルダ部
２６固定部
２７収納部
２８突起部
２９第２の突起部

Claims

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の面上に保持するホルダ部とを備えた電流センサであって、前記ホルダ部は、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突起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収納部と、前記収納部と連結され前記電流線とは異なる場所に固定される固定部とから構成されていることを特徴とする電流センサ。
前記第３の面に、前記電流線と当接する第２の突起部を設けたことを特徴とする請求項１記載の電流センサ。