JP2013015438A - Current sensor and method for assembling the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は電流センサおよびその組立方法に関し、特に電流センサの構造に関する。 The present invention relates to a current sensor and a method for assembling the current sensor, and more particularly to a structure of a current sensor.
直線偏光の磁気光学効果を利用して電流を測定する方法がこれまでに提案されている。たとえば特開平６−２１３９７６号公報（特許文献１）に開示された測定方法は、以下の方法によって電流を測定する。まず、磁気光学フィルムを、集積回路内の電流によって形成される磁界の中に存在するように、集積回路表面に近接して配置する。次に、その磁気光学フィルムに、線形に偏光されたビーム（具体的にはレーザビーム）を照射する。そのビームの磁気光学偏光回転を測定することによって電流が測定される。 A method for measuring current using the magneto-optical effect of linearly polarized light has been proposed. For example, the measuring method disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 6-213976 (Patent Document 1) measures current by the following method. First, the magneto-optic film is placed close to the surface of the integrated circuit so that it exists in the magnetic field formed by the current in the integrated circuit. Next, the magneto-optic film is irradiated with a linearly polarized beam (specifically, a laser beam). The current is measured by measuring the magneto-optic polarization rotation of the beam.
磁気光学カー（Ｋｅｒｒ）効果（たとえば縦カー効果）を利用した電流測定の場合、電流の測定値は、磁性薄膜の磁化と偏光の進行方向との傾きの角度に依存する。電流が流れていないときの磁性薄膜の磁化が偏光の進行方向に対して予め傾いていると、測定精度が低下する可能性がある。特開平６−２１３９７６号公報（特許文献１）は、このような課題を具体的に記載しておらず、したがって、その課題を解決するための具体的方法も開示していない。 In the case of current measurement using the magneto-optic Kerr effect (for example, the longitudinal Kerr effect), the measured value of the current depends on the angle of inclination between the magnetization of the magnetic thin film and the traveling direction of polarized light. If the magnetization of the magnetic thin film when no current is flowing is tilted in advance with respect to the direction of polarization, the measurement accuracy may be reduced. Japanese Patent Laid-Open No. 6-213976 (Patent Document 1) does not specifically describe such a problem, and therefore does not disclose a specific method for solving the problem.
本発明の目的は、磁気光学効果を利用した電流センサの測定精度を高めることである。 An object of the present invention is to increase the measurement accuracy of a current sensor using the magneto-optical effect.
本発明は、ある局面では、電流センサであって、第１のケースと、第２のケースと、磁性薄膜と、光源と、受光ユニットとを備える。第１のケースは、平面視したときの輪郭が円となる壁面を有する第１の部分を有し、第１の部分の直径よりも小さい直径を有する第１の貫通孔が第１の部分と同心に形成される。第２のケースは、平面視したときの輪郭が円となる壁面を有するとともに第１の部分に嵌合する第２の部分を有し、電流測定の対象を通すための第２の貫通孔が第２の部分の径方向に沿って形成される。磁性薄膜は、第１の貫通孔と対向するように、第２のケースの第２の部分に配置される。光源は、第１のケースの第１の貫通孔内に配置されて、磁性薄膜に偏光ビームを投光する。受光ユニットは、第１のケースの第１の貫通孔内に配置され、磁性薄膜によって反射された偏光ビームを受光して、偏光ビームの偏光状態の変化に応じた信号を出力する。第１および第２の部分は、第１および第２のケースが相対的に回転可能なように形成される。 In one aspect, the present invention is a current sensor, and includes a first case, a second case, a magnetic thin film, a light source, and a light receiving unit. The first case has a first portion having a wall surface whose contour when viewed in plan is a circle, and the first through hole having a diameter smaller than the diameter of the first portion is the first portion. Formed concentrically. The second case has a wall surface whose contour when viewed in plan is a circle, and has a second portion that fits into the first portion, and a second through-hole for passing a current measurement target. It is formed along the radial direction of the second part. The magnetic thin film is disposed in the second portion of the second case so as to face the first through hole. The light source is disposed in the first through hole of the first case, and projects a polarized beam onto the magnetic thin film. The light receiving unit is disposed in the first through hole of the first case, receives the polarized beam reflected by the magnetic thin film, and outputs a signal corresponding to the change in the polarization state of the polarized beam. The first and second portions are formed such that the first and second cases can rotate relative to each other.
好ましくは、第１および第２の部分が嵌合した状態で、第１および第２のケースが接合によって固定されている。 Preferably, the first and second cases are fixed by joining in a state where the first and second portions are fitted.
好ましくは、第１のケースの第１の部分は、第１のケースの他の部分から突出するように形成される。第２のケースの第２の部分は、第１の部分を受けるように凹状に形成される。 Preferably, the first part of the first case is formed so as to protrude from the other part of the first case. The second part of the second case is formed in a concave shape to receive the first part.
本発明は、他の局面では、電流センサの組立方法であって、偏光ビームを投光する光源と、偏光ビームを受光する受光ユニットとが収納された第１のケースと、磁性薄膜が設けられた第２のケースとを嵌め合わせるステップを備える。第１のケースは、平面視したときの輪郭が円となる壁面を有する第１の部分を有するとともに、第１の部分の直径よりも小さい直径を有する第１の貫通孔が前記第１の部分と同心に形成される。第２のケースは、平面視したときの輪郭が円となる壁面を有するとともに第１の部分に嵌合する第２の部分を有し、電流測定の対象を通すための第２の貫通孔が第２の部分の径方向に沿って形成される。磁性薄膜は、第１の貫通孔と対向するように、第２のケースの第２の部分に配置される。組立方法は、光源から偏光ビームを磁性薄膜に投光して、磁性薄膜で反射した偏光ビームを受光ユニットに受光させるステップと、第１のケースを第２のケースに相対的に回転させることによって、受光ユニットの出力信号を調整するステップと、受光ユニットの出力信号が調整された状態で、第１のケースと前記第２のケースとを接合するステップとを備える。 In another aspect, the present invention provides a method for assembling a current sensor, comprising: a first case that houses a light source that projects a polarized beam; a light receiving unit that receives the polarized beam; and a magnetic thin film. And a step of fitting the second case. The first case has a first portion having a wall surface whose contour when viewed in plan is a circle, and a first through hole having a diameter smaller than the diameter of the first portion is the first portion. And formed concentrically. The second case has a wall surface whose contour when viewed in plan is a circle, and has a second portion that fits into the first portion, and a second through-hole for passing a current measurement target. It is formed along the radial direction of the second part. The magnetic thin film is disposed in the second portion of the second case so as to face the first through hole. The assembling method includes a step of projecting a polarized beam from a light source onto a magnetic thin film, causing the light receiving unit to receive the polarized beam reflected by the magnetic thin film, and rotating the first case relative to the second case. And adjusting the output signal of the light receiving unit, and joining the first case and the second case in a state where the output signal of the light receiving unit is adjusted.
本発明によれば、磁気光学効果を利用した電流センサの測定精度を高めることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the measurement precision of the current sensor using a magneto-optical effect can be improved.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下図中の同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following, the same or corresponding parts in the drawings are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.
図１は、本発明の実施の形態に係る電流センサの斜視図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った、電流センサの断面図である。図１および図２を参照して、電流センサ１は、アッパーケース２と、ロワーケース３とを備える。アッパーケース２には、基板１０が収納される。
FIG. 1 is a perspective view of a current sensor according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view of the current sensor taken along line II-II in FIG. Referring to FIGS. 1 and 2,
アッパーケース２は、ロワーケース３の収納部３ｂに挿入される突出部２ｂと、基板１０を収納するための収納部２ｃとを有する。貫通孔２ａは、突出部２ｂおよび収納部２ｃを貫通するように形成される。
The
収納部２ｃの内壁には、ガイド１６ａ，１６ｂの対と、ガイド１６ｃ，１６ｄの対とが設けられる。ガイド１６ａ，１６ｂの間の間隔、ガイド１６ｃ，１６ｄの間の間隔は、基板１０の厚みにほぼ等しい。基板１０は、ガイド１６ａ〜１６ｄによって貫通孔２ａ（内部空間）へと案内される。
A pair of
基板１０には、レーザ光源１１と、偏光プリズム１２と、受光ユニット１４とが実装される。さらに、突出部２ｂの先端にレンズ１３が装着される。突出部２ｂに形成された貫通孔は、レーザ光源１１から偏光プリズム１２を通して出射される偏光ビームおよび、レンズ１３から受光ユニット１４に入射する偏光ビームを通すための空間である。
A
ロワーケース３は、アッパーケース２の突出部２ｂを受けるための空間３ａが形成された収納部３ｂを有する。収納部３ｂの底部３ｃに磁性薄膜１５が載置される。磁性薄膜１５は、レンズ１３を介して、アッパーケース２に形成された貫通孔２ａと対向するように配置される。
The
ロワーケース３には、電流が流れる導体５（電流測定の対象）を通すための貫通孔４が形成される。貫通孔４は、磁性薄膜１５に対してレンズ１３と反対側の位置に形成されている。
The
図２中の矢印６は、アッパーケース２の挿入方向を示す。Ｌ１は、アッパーケース２の挿入方向（突出部２ｂの挿入方向）に沿った突出部２ｂの長さである。Ｌ２は、アッパーケース２の挿入方向に沿った、ロワーケース３の収納部３ｂの長さである。Ｌ２＞Ｌ１である。したがって、レンズ１３と磁性薄膜１５とは互いに離れている。
An arrow 6 in FIG. 2 indicates the insertion direction of the
図３は、アッパーケースの上面図である。図４はアッパーケースの下面図である。図３および図４を参照して、収納部２ｃの内径はｄ１である。突出部２ｂは、平面視したときの輪郭が円となる外壁面を有する。この円の直径はｄ２である。貫通孔２ａは円形であり、その直径ｄ３は、突出部２ｂの外径（ｄ２）よりも小さい。図３および図４から理解されるように、アッパーケース２を平面視した場合、貫通孔２ａ、突出部２ｂおよび収納部２ｃは同心に配置される。
FIG. 3 is a top view of the upper case. FIG. 4 is a bottom view of the upper case. With reference to FIGS. 3 and 4, the inner diameter of the
図５は、ロワーケースの上面図である。図４および図５を参照して、ロワーケース３の収納部３ｂは、平面視したときの輪郭が円となる内壁面を有する。円の直径ｄ４は、ｄ２に等しいか、またはｄ２よりも若干大きい。これにより、アッパーケース２の突出部２ｂをロワーケース３の収納部３ｂに挿入した状態で、アッパーケース２をロワーケース３に対して相対的に回転させることができる。
FIG. 5 is a top view of the lower case. Referring to FIGS. 4 and 5,
なお、アッパーケース２およびロワーケース３の残りの部分の平面形状は特に限定されるものではない。したがって、たとえばアッパーケース２の収納部２ｃの平面形状が多角形（たとえば正方形）であってもよい。同じくロワーケース３の平面形状（輪郭）が多角形（たとえば正方形）でもよい。
The planar shapes of the remaining portions of the
図２に戻り、レーザ光源１１は、たとえば半導体レーザによって実現される。偏光プリズム１２は、レーザ光源１１から発せられたレーザ光から直線偏光を生成する。すなわち、レーザ光源１１および偏光プリズム１２は、磁性薄膜１５に偏光ビームを投光する光源を構成する。
Returning to FIG. 2, the
図２に示した矢印は偏光ビームの光路を示す。レーザ光源１１から発せられたレーザ光は、偏光プリズム１２によって直線偏光ビームとされる。直線偏光ビームは、レンズ１３での屈折によって磁性薄膜１５に導かれ、磁性薄膜１５の表面で反射する。磁性薄膜１５の表面で反射した直線偏光ビームは、レンズ１３での屈折によって受光ユニット１４に導かれる。受光ユニット１４は、磁性薄膜１５によって反射された偏光ビームを受光して、偏光ビームの偏光状態（主軸の角度）に応じた信号を出力する。
The arrows shown in FIG. 2 indicate the optical path of the polarized beam. Laser light emitted from the
磁性薄膜１５は、交換結合性磁性薄膜である。磁性薄膜１５の磁化方向は、導体５に流れる電流によって発生する磁界に応じて変化する。具体的には、磁性薄膜１５の磁化は、偏光ビームの反射面（磁性薄膜１５の表面）に平行な面内で回転する。
The magnetic
図６は、受光ユニットの構成を示した図である。図６を参照して、受光ユニット１４は、λ／４波長板２１と、偏光ビームスプリッタ２２と、フォトダイオード２３，２４と、差動アンプ２５，２６とを備える。
FIG. 6 is a diagram showing the configuration of the light receiving unit. Referring to FIG. 6, the
図７は、磁性薄膜１５の構造を単純化して示した図である。図７を参照して、磁性薄膜１５は、基板３０に形成される。磁性薄膜１５は、固定磁化層３１と、スペーサ層３２と、自由磁化層３３とを備える。
FIG. 7 is a simplified diagram showing the structure of the magnetic
固定磁化層３１は、その磁化方向が固定された層であり、たとえば強磁性層および反強磁性層によって構成される。スペーサ層３２は、絶縁物によって構成される。自由磁化層３３は、その磁化方向が外部磁場によって回転可能な層であり、強磁性体によって構成される。なお、磁性薄膜１５の構造は図７に示した構造に限定されるものではない。たとえば図７に示した構造に層を追加してもよい。この明細書では、「磁性薄膜の磁化方向」とは自由磁化層の磁化方向を指すものとする。
The fixed magnetization layer 31 is a layer whose magnetization direction is fixed, and is composed of, for example, a ferromagnetic layer and an antiferromagnetic layer. The
次に、この電流センサの動作について説明する。図８は、外部磁界による磁性薄膜の磁化方向の変化を示した図である。図８を参照して、導体５に電流ｉが流れることによって、磁界が発生する。この磁界によって、磁性薄膜１５の磁化３５の向きが磁性薄膜１５の表面に平行な面内で回転する。電流ｉの向きと磁化３５の向きとは、同じ線種（実線または破線）の矢印の組み合わせによって表わされる。ただし図８は、電流ｉの向きと磁化３５の向きとの組み合わせの一例を示している。
Next, the operation of this current sensor will be described. FIG. 8 is a diagram showing a change in the magnetization direction of the magnetic thin film due to an external magnetic field. Referring to FIG. 8, when current i flows through
図２に示すように、本実施の形態では、ロワーケース３は、アッパーケース２の突出部２ｂを受けるように凹状に形成された収納部３ｂを有する。この収納部３ｂの底部に磁性薄膜１５を配置することによって、導体５と磁性薄膜１５との間の間隔を短くすることができる。したがって、導体５に流れる電流ｉにより発生した磁界に応じて、磁性薄膜１５の磁化３５の方向を敏感に変化させることができる。
As shown in FIG. 2, in the present embodiment, the
電流ｉの測定時には、アッパーケース２に設けられた基板１０（レーザ光源１１および偏光プリズム１２）から磁性薄膜１５に直線偏光の光ビームが照射され、磁性薄膜１５の表面で光ビームが反射する。この場合、電流ｉにより発生した外部磁界が磁性薄膜１５に印加される。このため磁気光学カー効果によって、反射光ビームの主軸が回転する。
When measuring the current i, the magnetic
なお、電流ｉが流れていない場合には、図示しない永久磁石によって、磁性薄膜１５の磁化３５の方向は、実線の矢印（または破線の矢印）の方向に保たれている。この永久磁石の磁界は、電流ｉによって発生する磁界に影響を与えない程度とされる。
When the current i is not flowing, the direction of the
図６および図８を参照して、λ／４波長板２１は、磁性薄膜１５によって反射された偏光ビーム（直線偏光）を円偏光（または後述するように楕円偏光）に変換する。λ／４波長板２１からの偏光ビーム（円偏光）は、偏光ビームスプリッタ２２によって、電場の振動方向が互いに直交する２つの成分（Ｓ波およびＰ波）に分離される。フォトダイオード２３，２４は、偏光ビームスプリッタ２２によって分離された２つの成分をそれぞれ受けて、その成分の強度（受光した光の強度）を表わす信号を出力する。差動アンプ２５は、フォトダイオード２３，２４からそれぞれ出力される２つの信号の差分を増幅して出力する。
6 and 8, the λ / 4
電流ｉが流れていない場合、すなわち外部磁界が０である場合、λ／４波長板２１からの偏光ビームが円偏光になる。この場合、偏光ビームスプリッタ２２から取り出される２つの成分（Ｓ波およびＰ波）の光強度が同じであるので、差動アンプ２５の出力値が０になる。
When the current i is not flowing, that is, when the external magnetic field is 0, the polarized beam from the λ / 4
一方、電流ｉが流れている場合、すなわち、外部磁界が磁性薄膜１５に印加された場合、磁性薄膜１５で反射した偏光ビーム（直線偏光）の主軸が磁気光学カー効果によって傾く。この場合、λ／４波長板２１によって直線偏光が楕円偏光へと変換される。楕円偏光は偏光ビームスプリッタ２２によって２つの成分（Ｓ波、Ｐ波）に分割される。Ｓ波、Ｐ波の強度は、磁性薄膜１５に印加される磁場に応じて変化する。したがって、差動アンプ２５の出力信号は、磁性薄膜１５に印加される磁場に応じて変化する。
On the other hand, when the current i flows, that is, when an external magnetic field is applied to the magnetic
すなわち、差動アンプ２５の出力信号は、導体５を流れる電流ｉの強度および向きに応じて変化する。したがって、差動アンプ２５の出力信号を用いて電流ｉを検出できる。
That is, the output signal of the
差動アンプ２６は、差動アンプ２５の出力信号を増幅する。差動アンプ２６は、ゲイン調整用のアンプである。差動アンプ２６によって、適切な大きさの信号が受光ユニット１４から取り出される。差動アンプ２６は、たとえば非反転増幅回路として構成される。
The
図９は、従来の電流センサの一例を概略的に示した図である。図９を参照して、電流センサは、磁気比例式電流センサであり、コア４１と、基板１０ａとを備える。基板１０ａには、ホール素子４３を含む磁束変換回路４２と、差動アンプ４５を含む増幅回路４４とが実装される。コア４１は、導体（図示せず）に電流が流れたときに発生する磁束を集磁する。その集磁された磁束が、コア４１のギャップ内に配置された磁束変換回路４２（ホール素子４３）を通過することにより、微弱な電圧が磁束変換回路４２に発生する。この電圧が、増幅回路４４によって増幅される。増幅回路４４からの信号に基づいて電流が検出される。
FIG. 9 is a diagram schematically showing an example of a conventional current sensor. Referring to FIG. 9, the current sensor is a magnetic proportional current sensor, and includes a
この構成では、導体の周囲にコア４１が存在する。コア４１の大きさは導体の形状に依存する。したがって、コア４１の小型化が難しい。これに対して本実施の形態によれば、コアを不要とすることができるため、電流センサの小型化を実現できる。さらに、図９に示した構成によれば、僅かな外乱の磁場によって、センサの出力信号にノイズが重畳する。これに対して、本実施の形態によれば、偏光の角度成分を検出するため、外乱の磁場による電流測定への影響を小さくすることができる。
In this configuration, the
ここで、磁性薄膜および磁気光学カー効果を利用した電流測定の場合、測定精度を高めるためには、電流が０のときの磁性薄膜の磁化方向が偏光ビームの進行方向に対して平行であることが要求される。すなわち、偏光ビームの進行方向に対して磁性薄膜の磁化方向が予め傾いた状態では、電流の測定精度が低下する。 Here, in the case of current measurement using the magnetic thin film and the magneto-optical Kerr effect, the magnetization direction of the magnetic thin film when the current is 0 is parallel to the traveling direction of the polarized beam in order to increase the measurement accuracy. Is required. That is, when the magnetization direction of the magnetic thin film is tilted in advance with respect to the traveling direction of the polarized beam, the current measurement accuracy decreases.
図１０は、磁性薄膜の調整ずれに起因する受光ユニットの出力への影響を説明するための図である。図１０を参照して、（ａ）の場合には、磁性薄膜１５の磁化３５の方向と、入射光ビームＢ１および反射光ビームＢ２の進行方向とは互いに平行である。なお、「進行方向」は、入射光ビームＢ１および反射光ビームＢ２の、磁性薄膜１５の表面に平行な成分の方向である。
FIG. 10 is a diagram for explaining the influence on the output of the light receiving unit due to the adjustment deviation of the magnetic thin film. Referring to FIG. 10, in the case of (a), the direction of the
導体５に流れる電流ｉが交流であるとする。（ａ）の場合には、受光ユニット１４の出力電流は、正方向および負方向に均等に変化する。一方、（ｂ）の場合には、磁性薄膜１５の磁化３５の方向が、入射光ビームＢ１および反射光ビームＢ２の進行方向に対して傾いている。この場合、受光ユニット１４の出力電流は、正方向および負方向にアンバランスに変化する。すなわち受光ユニット１４の出力電流は、オフセットを有する。（ｂ）に示した例では、受光ユニット１４の出力電流に正のオフセット値が含まれる。このため、電流ｉの検出精度が低下する。電流ｉ＝０のときに受光ユニット１４の出力電流が０となることが望ましい。
It is assumed that the current i flowing through the
本発明の実施の形態によれば、電流センサ１の組み立て時に、受光ユニット１４の出力電流が０となるように電流センサ１を機械的に調整することができる。図１１は、本発明の実施の形態に係る電流センサの組み立ておよび調整を説明した図である。
According to the embodiment of the present invention, when the
図１１を参照して、まず、ロワーケース３の貫通孔４に導体５を通す。次に、ロワーケース３の収納部３ｂにアッパーケース２の突出部２ｂを挿入する（図１１（ａ））。
Referring to FIG. 11, first, the
続いて導体５に電流（たとえば交流）を流し、電流センサ１を動作させる。すなわち、レーザ光源１１からレーザ光を出射させて、受光ユニット１４からの信号をモニタする。この状態でアッパーケース２を回転させる。上記のように、突出部２ｂの外壁面および収納部３ｂの内壁面は、平面視したときの輪郭が円形となるように形成されている。したがって、アッパーケース２を貫通孔２ａの中心軸の周りに回転させることができる。導体５に流れる電流が交流である場合には、受光ユニット１４からの信号の波形が正方向および負方向に均等に変化するように、アッパーケース２を回転させる（図１１（ｂ））。
Subsequently, a current (for example, alternating current) is passed through the
なお、導体５に流れる電流が直流であってもよい。この場合には、所定の電流値に対して受光ユニット１４からの出力信号の強度が設定値となるように、アッパーケース２を回転させればよい。
The current flowing through the
アッパーケース２を回転して受光ユニット１４からの出力信号を調整した後に、アッパーケース２が固定される。アッパーケース２の回転、レンズ１３と磁性薄膜１５との距離の変動を防止するために、アッパーケース２を強固に固定することが好ましい。このため、アッパーケース２とロワーケース３との境界部分１７が接合される（図１１（ｃ））。接合方法は特に限定されるものではなく、たとえば超音波接合、レーザ溶接、ろう付、はんだ接合など各種の方法を適宜採用できる。
After the
以上のように、本発明の実施の形態によれば、アッパーケース２内に、偏光ビームを出射するための光源（レーザ光源１１および偏光プリズム１２）および、偏光ビームを受光するための受光ユニット１４が設けられる。一方、ロワーケース３には測定対象の導体を通すための貫通孔４が形成されるととともに収納部３ｂに磁性薄膜１５が設けられる。
As described above, according to the embodiment of the present invention, the light source (
アッパーケース２の突出部２ａは、平面視したときの輪郭が円となる外壁面を有する。一方、ロワーケース３の収納部３ｂは、平面視したときの輪郭が円となる内壁面を有するとともに、アッパーケース２に嵌合する。アッパーケース２がロワーケース３と接合されるまでは、アッパーケース２はロワーケース３に対して相対的に回転可能である。
The protruding
したがって、偏光ビーム（磁性薄膜１５への入射光ビームおよび磁性薄膜１５からの反射光ビーム）の進行方向を、導体５に電流が流れていないときの磁性薄膜１５の磁化の方向に一致するように調整できる。その後にアッパーケース２およびロワーケース３を接合する。したがって、本発明の実施の形態によれば、測定精度の高い電流センサを実現できる。
Therefore, the traveling direction of the polarized beam (the incident light beam on the magnetic
なお、本実施の形態では、アッパーケース２に突出部を形成するとともに、ロワーケースに収納部を形成したが、ロワーケース３に突出部を形成し、アッパーケース２に、その突出部を受けるための収納部を形成してもよい。この場合、磁性薄膜は、ロワーケース３に形成された突出部の先端に配置すればよい。
In this embodiment, the
（適用例）
図１２は、本発明の実施の形態に従う電流センサの１つの適用例を示した図である。図１２を参照して、モータ駆動制御システム１００は、直流電圧発生部１０１と、平滑コンデンサＣ０と、インバータ１０２と、交流電動機Ｍ１と、電流センサ１２４と、制御装置１８０とを備える。
(Application example)
FIG. 12 shows one application example of the current sensor according to the embodiment of the present invention. Referring to FIG. 12, motor
交流電動機Ｍ１は、たとえば、電動車両の駆動輪を駆動するためのトルクを発生するための駆動用電動機である。なお、「電動車両」とは、ハイブリッド自動車、電気自動車あるいは燃料電池車等、電気エネルギーによって車両駆動力を発生する自動車を指すものとする。 AC electric motor M1 is, for example, a driving electric motor for generating torque for driving driving wheels of an electric vehicle. The “electric vehicle” refers to a vehicle that generates vehicle driving force by electric energy, such as a hybrid vehicle, an electric vehicle, or a fuel cell vehicle.
交流電動機Ｍ１は、エンジンにより駆動される発電機の機能を持つように構成されてもよい。また、交流電動機Ｍ１は電動機および発電機の機能を併せ持つように構成されてもよい。さらに、交流電動機Ｍ１は、エンジンに対して電動機として動作する（たとえば、エンジンを始動する）ものとしてハイブリッド自動車に搭載されてもよい。 AC electric motor M1 may be configured to have a function of a generator driven by an engine. Further, AC electric motor M1 may be configured to have both functions of an electric motor and a generator. Further, AC electric motor M1 may be mounted on a hybrid vehicle so as to operate as an electric motor for the engine (for example, to start the engine).
直流電圧発生部１０１は、直流電源Ｂと、システムリレーＳＲ１，ＳＲ２と、平滑コンデンサＣ１と、コンバータ１０３とを含む。
DC
直流電源Ｂは、代表的には、ニッケル水素またはリチウムイオン等の二次電池や電気二重層キャパシタ等の蓄電装置により構成される。直流電源Ｂが出力する直流電圧Ｖｂおよび直流電源Ｂに入出力される直流電流Ｉｂは、電圧センサ１１２および電流センサ１１１によってそれぞれ検出される。
The DC power supply B is typically constituted by a secondary battery such as nickel metal hydride or lithium ion, or a power storage device such as an electric double layer capacitor. The DC voltage Vb output from the DC power supply B and the DC current Ib input / output to / from the DC power supply B are detected by the voltage sensor 112 and the
システムリレーＳＲ１は、直流電源Ｂの正極端子および電力線１０６の間に接続される。システムリレーＳＲ２は、直流電源Ｂの負極端子およびアース線１０５の間に接続される。システムリレーＳＲ１，ＳＲ２は、制御装置１８０からの信号ＳＥによりオン／オフされる。
System relay SR <b> 1 is connected between the positive terminal of DC power supply B and
コンバータ１０３は、昇圧動作時には、直流電源Ｂから供給された直流電圧Ｖｂを昇圧することにより、直流電圧ＶＨをインバータ１０２へ供給する。コンバータ１０３は、降圧動作時には、インバータ１０２から平滑コンデンサＣ０を介して供給された直流電圧ＶＨ（システム電圧）を降圧して、直流電源Ｂを充電する。コンバータ１０３は、リアクトルＬ１と、電力用半導体スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２と、逆並列ダイオードＤ１，Ｄ２とを含む。電力用半導体スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、それぞれ、制御装置１８０からのスイッチング制御信号Ｓ１，Ｓ２によって制御される。
インバータ１０２は、Ｕ相アーム１１５と、Ｖ相アーム１１６と、Ｗ相アーム１１７とを含む。これらのアームの各々は、電力線１０７およびアース線１０５の間に直列接続された２つのスイッチング素子（スイッチング素子Ｑ３〜Ｑ８）により構成される。スイッチング素子Ｑ３〜Ｑ８は、制御装置１８０からのスイッチング制御信号Ｓ３〜Ｓ８に応答してスイッチング動作を実行する。これにより、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍによって指定された正（または０）のトルクを交流電動機Ｍ１から出力させるための交流電圧が交流電動機に印加される。あるいは、交流電動機Ｍ１のトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍは負に設定される（Ｔｒｑｃｏｍ＜０）。この場合には、インバータ１０２は、スイッチング制御信号Ｓ３〜Ｓ８に応答したスイッチング動作により交流電動機Ｍ１が発電した交流電圧を直流電圧に変換する。インバータ１０２は、その変換した直流電圧（システム電圧）を、平滑コンデンサＣ０を介してコンバータ１０３へ供給する。
交流電動機Ｍ１は、たとえば、３相の永久磁石型同期電動機であり、Ｕ相コイル、Ｖ相コイルおよびＷ相コイルの一端が中性点に共通接続された構成を有する。各相コイルの他端は、対応するアームに含まれる２つのスイッチング素子の接続ノードに接続される。 AC motor M1 is, for example, a three-phase permanent magnet synchronous motor, and has a configuration in which one end of a U-phase coil, a V-phase coil, and a W-phase coil is commonly connected to a neutral point. The other end of each phase coil is connected to a connection node of two switching elements included in the corresponding arm.
平滑コンデンサＣ０は、コンバータ１０３からの直流電圧を平滑化し、その平滑化した直流電圧をインバータ１０２へ供給する。電圧センサ１１３は、平滑コンデンサＣ０の両端の電圧、すなわちシステム電圧ＶＨを検出して、その検出値を制御装置１８０へ出力する。
電流センサ１２４は、インバータ１０２と交流電動機Ｍ１との間に流れるモータ電流を検出し、その検出したモータ電流を制御装置１８０へ出力する。三相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗの瞬時値の和は０である。よって、２つの電流センサ１２４によって２相分のモータ電流（たとえば、Ｖ相電流ｉｖおよびＷ相電流ｉｗ）を検出するように配置すればよい。ただし、３つの電流センサ１２４を三相のそれぞれに配置してもよい。
回転角センサ１２５は、交流電動機Ｍ１のロータ回転角θを検出し、その検出した回転角θを制御装置１８０へ送出する。回転角センサ１２５は、たとえばレゾルバにより構成される。制御装置１８０は、検出された回転角θに基づき交流電動機Ｍ１の回転数（回転速度）および角速度ω（ｒａｄ／ｓ）を算出できる。
制御装置１８０は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）により構成され、予め記憶されたプログラムを図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）で実行することによるソフトウェア処理、および／または専用の電子回路によるハードウェア処理により、モータ駆動制御システム１００の動作を制御する。
The
本発明の実施の形態に係る電流センサは、電流センサ１１１あるいは電流センサ１２４に好適に適用できる。
The current sensor according to the embodiment of the present invention can be suitably applied to the
（電動車両の構成例）
図１３は、図１２に示したモータ駆動制御システムが適用された電動車両の一例を示すブロック図である。図１３を参照して、ハイブリッド車両１０００は、エンジン１５０と、第１ＭＧ（Motor Generator）１１０と、第２ＭＧ１２０と、動力分割機構１３０と、減速機１４０と、制御装置１８０と、直流電圧発生部１０１と、インバータユニット１７０と、駆動輪１６０とを備える。
(Configuration example of electric vehicle)
FIG. 13 is a block diagram illustrating an example of an electric vehicle to which the motor drive control system illustrated in FIG. 12 is applied. Referring to FIG. 13,
エンジン１５０、第１ＭＧ１１０および第２ＭＧ１２０は、動力分割機構１３０に連結される。ハイブリッド車両１０００は、エンジン１５０および第２ＭＧ１２０の少なくとも一方からの駆動力によって走行する。エンジン１５０が発生する動力は、動力分割機構１３０によって２経路に分割される。すなわち、一方は減速機１４０を介して駆動輪１６０へ伝達される経路であり、もう一方は第１ＭＧ１１０へ伝達される経路である。
第１ＭＧ１１０、第２ＭＧ１２０はともに交流電動機である。図１２に示した交流電動機Ｍ１は、第１ＭＧ１１０および第２ＭＧ１２０のいずれにも適用可能である。また、インバータユニット１７０は、第１ＭＧ１１０および第２ＭＧ１２０をそれぞれ駆動制御するための２つのインバータ（図１に示したインバータ１０２に対応）を含む。
第１ＭＧ１１０は、動力分割機構１３０によって分割されたエンジン１５０の動力を用いて発電する。たとえば、直流電源Ｂの充電状態を示す値（ＳＯＣ）が予め定められた値よりも低くなると、エンジン１５０が始動して第１ＭＧ１１０により発電が行なわれる。第１ＭＧ１１０によって発電された電力は、インバータユニット１７０により交流から直流に変換され、コンバータ１０３により電圧が調整されて直流電源Ｂに蓄えられる。さらに第１ＭＧ１１０は、直流電源Ｂに蓄積された電力を用いてエンジン１５０を始動する。
第２ＭＧ１２０は、直流電源Ｂに蓄えられた電力および第１ＭＧ１１０により発電された電力の少なくとも一方を用いて駆動力を発生する。そして、第２ＭＧ１２０の駆動力は、減速機１４０を介して駆動輪１６０に伝達される。これにより、第２ＭＧ１２０はエンジン１５０を補助したり、第２ＭＧ１２０からの駆動力によって車両を走行させたりする。なお、図１３では、駆動輪１６０は前輪として示されているが、第２ＭＧ１２０は前輪に代えて、または前輪とともに、後輪を駆動してもよい。
ハイブリッド車両１０００の制動時等には、減速機１４０を介して駆動輪１６０により第２ＭＧ１２０が駆動されて、第２ＭＧ１２０が発電機として作動する。これにより、第２ＭＧ１２０は、制動エネルギーを電力に変換する回生ブレーキとして作動する。そして、第２ＭＧ１２０により発電された電力は、直流電源Ｂに蓄えられる。
When the
動力分割機構１３０は、サンギヤと、ピニオンギヤと、キャリアと、リングギヤとを含む遊星歯車から成る。ピニオンギヤは、サンギヤおよびリングギヤと係合する。キャリアは、ピニオンギヤを自転可能に支持するとともに、エンジン１５０のクランクシャフトに連結される。サンギヤは、第１ＭＧ１１０の回転軸に連結される。リングギヤは第２ＭＧ１２０の回転軸および減速機１４０に連結される。
Power split
そして、エンジン１５０、第１ＭＧ１１０および第２ＭＧ１２０が、遊星歯車から成る動力分割機構１３０を介して連結されることによって、エンジン１５０、第１ＭＧ１１０および第２ＭＧ１２０の回転数は、共線図において直線で結ばれる関係になる。
制御装置１８０は、エンジン１５０、直流電圧発生部１０１およびインバータユニット１７０を制御する。制御装置１８０がインバータユニット１７０を制御することによって、第１ＭＧ１１０および第２ＭＧ１２０が制御される。
なお図１２および図１３に示した例に限定されず、本発明の実施の形態に係る電流センサは、電流を計測する用途に好適に利用できる。 In addition, it is not limited to the example shown in FIG. 12 and FIG. 13, The current sensor which concerns on embodiment of this invention can be utilized suitably for the use which measures an electric current.
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
１，１１１，１２４ 電流センサ、２ アッパーケース、２ａ，４ 貫通孔、２ｂ 突出部、２ｃ，３ｂ 収納部、３ ロワーケース、３ａ 空間、６ 矢印（挿入方向）、１０，１０ａ，３０ 基板、１１ レーザ光源、１２ 偏光プリズム、１３ レンズ、１４ 受光ユニット、１５ 磁性薄膜、１６ａ〜１６ｄ ガイド、１７ 境界部分、２１ λ／４波長板、２２ 偏光ビームスプリッタ、２３，２４ フォトダイオード、２５，２６，４５ 差動アンプ、３１ 固定磁化層、３２ スペーサ層、３３ 自由磁化層、３５ 磁化、４１ コア、４２ 磁束変換回路、４３ ホール素子、４４ 増幅回路、１００ モータ駆動制御システム、１０１ 直流電圧発生部、１０２ インバータ、１０３ コンバータ、１０５ アース線、１０６，１０７ 電力線、１１０ 第１ＭＧ、１１２，１１３ 電圧センサ、１１５ Ｕ相アーム、１１６ Ｖ相アーム、１１７ Ｗ相アーム、１２０ 第２ＭＧ、１２５ 回転角センサ、１３０ 動力分割機構、１４０ 減速機、１５０ エンジン、１６０ 駆動輪、１７０ インバータユニット、１８０ 制御装置、１０００ ハイブリッド車両、Ｂ 直流電源、Ｂ１ 入射光ビーム、Ｂ２ 反射光ビーム、Ｃ０，Ｃ１ 平滑コンデンサ、Ｄ１，Ｄ２ 逆並列ダイオード、Ｌ１ リアクトル、Ｍ１ 交流電動機、Ｑ１〜Ｑ８ 電力用半導体スイッチング素子、ＳＲ１，ＳＲ２ システムリレー。 1, 111, 124 Current sensor, 2 Upper case, 2a, 4 Through hole, 2b Protruding part, 2c, 3b Storage part, 3 Lower case, 3a Space, 6 Arrow (insertion direction) 10, 10a, 30 Substrate, 11 Laser light source, 12 polarizing prism, 13 lens, 14 light receiving unit, 15 magnetic thin film, 16a to 16d guide, 17 boundary portion, 21 λ / 4 wavelength plate, 22 polarizing beam splitter, 23, 24 photodiode, 25, 26, 45 Differential amplifier, 31 Fixed magnetization layer, 32 Spacer layer, 33 Free magnetization layer, 35 Magnetization, 41 Core, 42 Magnetic flux conversion circuit, 43 Hall element, 44 Amplifier circuit, 100 Motor drive control system, 101 DC voltage generator, 102 Inverter, 103 converter, 105 ground wire, 106, 107 power line, 1 10 1st MG, 112, 113 Voltage sensor, 115 U-phase arm, 116 V-phase arm, 117 W-phase arm, 120 2nd MG, 125 Rotational angle sensor, 130 Power split mechanism, 140 Reducer, 150 Engine, 160 Drive wheel, 170 Inverter unit, 180 controller, 1000 hybrid vehicle, B DC power supply, B1 incident light beam, B2 reflected light beam, C0, C1 smoothing capacitor, D1, D2 antiparallel diode, L1 reactor, M1 AC motor, Q1-Q8 power Semiconductor switching element, SR1, SR2 system relay.
Claims (4)
平面視したときの輪郭が円となる壁面を有するとともに前記第１の部分に嵌合する第２の部分を有し、電流測定の対象を通すための第２の貫通孔が前記第２の部分の径方向に沿って形成された第２のケースと、
前記第１の貫通孔と対向するように、前記第２のケースの前記第２の部分に配置された磁性薄膜と、
前記第１のケースの前記第１の貫通孔内に配置されて、前記磁性薄膜に偏光ビームを投光する光源と、
前記第１のケースの前記第１の貫通孔内に配置され、前記磁性薄膜によって反射された前記偏光ビームを受光して、前記偏光ビームの偏光状態の変化に応じた信号を出力する受光ユニットとを備え、
前記第１および第２の部分は、前記第１および第２のケースが相対的に回転可能なように形成される、電流センサ。 A first portion having a wall surface whose contour when viewed in plan is a circle, and a first through hole having a diameter smaller than the diameter of the first portion is formed concentrically with the first portion. The first case,
The second portion has a wall having a circular outline when viewed in plan, a second portion that fits into the first portion, and a second through-hole for passing a current measurement target. A second case formed along the radial direction of
A magnetic thin film disposed in the second part of the second case so as to face the first through hole;
A light source disposed in the first through hole of the first case and projecting a polarized beam onto the magnetic thin film;
A light receiving unit that is disposed in the first through hole of the first case, receives the polarized beam reflected by the magnetic thin film, and outputs a signal corresponding to a change in a polarization state of the polarized beam; With
The first and second portions are current sensors formed such that the first and second cases are relatively rotatable.
前記第２のケースの前記第２の部分は、前記第１の部分を受けるように凹状に形成される、請求項２に記載の電流センサ。 The first part of the first case is formed to protrude from the other part of the first case,
The current sensor according to claim 2, wherein the second portion of the second case is formed in a concave shape so as to receive the first portion.
前記第１のケースは、平面視したときの輪郭が円となる壁面を有する第１の部分を有するとともに、前記第１の部分の直径よりも小さい直径を有する第１の貫通孔が前記第１の部分と同心に形成され、
前記第２のケースは、平面視したときの輪郭が円となる壁面を有するとともに前記第１の部分に嵌合する第２の部分を有し、電流測定の対象を通すための第２の貫通孔が前記第２の部分の径方向に沿って形成され、
前記磁性薄膜は、前記第１の貫通孔と対向するように、前記第２のケースの前記第２の部分に配置され、
前記光源から偏光ビームを前記磁性薄膜に投光して、前記磁性薄膜で反射した偏光ビームを前記受光ユニットに受光させるステップと、
前記第１のケースを前記第２のケースに相対的に回転させることによって、前記受光ユニットの出力信号を調整するステップと、
前記受光ユニットの出力信号が調整された状態で、前記第１のケースと前記第２のケースとを接合するステップとを備える、電流センサの組立方法。 Fitting a first case containing a light source that projects a polarized beam and a light receiving unit that receives the polarized beam, and a second case provided with a magnetic thin film;
The first case has a first portion having a wall surface whose contour when viewed in plan is a circle, and a first through hole having a diameter smaller than the diameter of the first portion is the first portion. Formed concentrically with the part of
The second case has a wall surface whose contour when viewed in plan is a circle, and has a second portion that fits into the first portion, and a second penetration for passing an object for current measurement A hole is formed along a radial direction of the second portion;
The magnetic thin film is disposed in the second portion of the second case so as to face the first through hole,
Projecting a polarized beam from the light source onto the magnetic thin film, and causing the light receiving unit to receive the polarized beam reflected by the magnetic thin film;
Adjusting the output signal of the light receiving unit by rotating the first case relative to the second case;
A method of assembling a current sensor, comprising: joining the first case and the second case in a state where an output signal of the light receiving unit is adjusted.
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|---|---|---|---|---|
| WO2016190087A1 (en) * | 2015-05-22 | 2016-12-01 | アルプス・グリーンデバイス株式会社 | Current sensor |
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