JP2022014161A - Current sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電流センサに関する。 The present invention relates to a current sensor.
磁気インピーダンス(MI)素子は、磁気インピーダンス効果を用いた磁気センサである。特許文献1には、このMI素子を用いた電流センサが開示されている。 The magnetic impedance (MI) element is a magnetic sensor using the magnetic impedance effect. Patent Document 1 discloses a current sensor using this MI element.
特許文献1では、測定対象を流れる電流により発生する磁場を複数のMI素子により測定している。この複数のMI素子は測定対象からの距離が互いに異なるように配置されているため、複数のMI素子により測定される磁場の大きさは、互いに異なる。特許文献1では、この測定される磁場の大きさの違いを用いて、小電流から大電流までの広い計測範囲での電流計測を可能にしている。 In Patent Document 1, the magnetic field generated by the current flowing through the measurement target is measured by a plurality of MI elements. Since the plurality of MI elements are arranged so that the distances from the measurement target are different from each other, the magnitudes of the magnetic fields measured by the plurality of MI elements are different from each other. In Patent Document 1, the difference in the magnitude of the measured magnetic field is used to enable current measurement in a wide measurement range from a small current to a large current.
しかしながら、特許文献1に開示された技術では、複数のMI素子を使用しているため、複数のMI素子の間の位置ずれ(距離、角度)が生じることがある。この位置ずれは、電流の測定精度が低下させてしまう。 However, in the technique disclosed in Patent Document 1, since a plurality of MI elements are used, a positional deviation (distance, angle) between the plurality of MI elements may occur. This misalignment reduces the accuracy of current measurement.
そこで、本発明は、広い計測範囲を確保しつつ、精度が高い電流測定を行うことを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to perform highly accurate current measurement while ensuring a wide measurement range.
上記課題を解決するため、本発明の電流センサは、導体を流れる電流を測定する電流センサであって、第1の端部と第2の端部を有する検出素子を有し、前記検出素子は、n+1(nは自然数)個の磁性体と、n個の接続部と、を有し、前記第1の端部に接続した第1の接続端子と、前記第2の端部に接続した第2の接続端子と、前記n個の接続部のうちの1つに接続した第3の接続端子と、を有し、前記n+1個の磁性体の各々は、前記電流が流れる第1の方向に垂直な第2の方向に延びており、前記n+1個の磁性体は、前記第1の方向および前記第2の方向に垂直な第3の方向に並べられており、前記n個の接続部は、前記検出素子がミアンダ形状になるように、前記n+1個の磁性体のうちの隣り合う前記磁性体の端部を接続している。 In order to solve the above problems, the current sensor of the present invention is a current sensor that measures a current flowing through a conductor, and has a detection element having a first end portion and a second end portion, and the detection element is , N + 1 (n is a natural number) magnetic material, n connection portions, and a first connection terminal connected to the first end portion and a second connection portion connected to the second end portion. It has two connection terminals and a third connection terminal connected to one of the n connection portions, and each of the n + 1 magnetic materials is in the first direction in which the current flows. Extending in a vertical second direction, the n + 1 magnetic bodies are arranged in the first direction and a third direction perpendicular to the second direction, and the n connections are arranged. The end portions of the adjacent magnetic bodies of the n + 1 magnetic bodies are connected so that the detection element has a meander shape.
前記電流センサは、前記第1の接続端子、前記第2の接続端子、および前記第3の接続端子に接続する制御部をさらに有し、前記制御部は、前記検出素子のうちの前記第1の接続端子と前記第3の接続端子の間の部分のインピーダンス、および前記検出素子のうちの前記第2の接続端子と前記第3の接続端子の間の部分のインピーダンスを測定し、当該測定されたインピーダンスに基づいて、前記電流の値を算出するようにしても良い。 The current sensor further includes a control unit connected to the first connection terminal, the second connection terminal, and the third connection terminal, and the control unit is the first of the detection elements. The impedance of the portion between the connection terminal and the third connection terminal, and the impedance of the portion of the detection element between the second connection terminal and the third connection terminal are measured and measured. The value of the current may be calculated based on the impedance.
nが、2以上の自然数であり、前記電流センサは、前記第3の端子が接続された接続部とは異なる接続部に接続された第4の接続端子をさらに有するようにしても良い。 n is a natural number of 2 or more, and the current sensor may further have a fourth connection terminal connected to a connection portion different from the connection portion to which the third terminal is connected.
前記電流センサは、前記検出素子を覆うバイアス磁場用バスバーをさらに有するようにしても良い。 The current sensor may further have a bus bar for a bias magnetic field covering the detection element.
本発明によれば、広い計測範囲を確保しつつ、精度が高い電流測定を行うことが可能になる。 According to the present invention, it is possible to perform highly accurate current measurement while ensuring a wide measurement range.
<電流センサ100>
図1は、本発明の一実施形態に係る電流センサ100を示す図である。図1(A)は、電流センサ100の斜視図であり、図1(B)は、電流センサ100を図1(A)の右側から見た図である。電流センサ100は、回路基板S上に実装された磁気インピーダンス(MI)素子110と制御部120とを有し、U字形状の形成されたバイアス磁場用バスバー130にMI素子110が挿入されるように構成される。電流センサ100は、MI素子110、制御部120、バイアス磁場用バスバー130を収容する筐体(不図示)を有するようにしても良い。
<
FIG. 1 is a diagram showing a
本実施形態に係る電流センサ100は、非接触で、測定対象を流れる電流を測定する。図1に示した例では、電流センサ100は、測定対象バスバーBBを流れる電流IBを測定する際に、この測定対象バスバーBBに接触しないように、この測定対象バスバーBBの近傍に配置される。
The
測定対象バスバーBBに電流IBが流れると、測定対象バスバーBBの周りに磁場HBが発生する。この磁場HBの大きさは、測定対象バスバーBBを流れる電流IBの値と測定対象バスバーBBからの距離に応じて変化する。一方、MI素子110のインピーダンスは、外部磁場の変化に応じて変化する。よって、MI素子110と測定対象バスバーBBとの間の距離を一定に保った場合、測定対象バスバーBBの近傍に配置された電流センサ100のMI素子110のインピーダンスは、測定対象バスバーBBを流れる電流IBの変化に応じて変化する。そこで、本実施形態では、制御部120は、MI素子110のインピーダンスを測定し、この測定されたインピーダンスに基づいて、測定対象バスバーBBを流れる電流IBの値を算出する。
When the current IB flows through the measurement target bus bar BB, a magnetic field HB is generated around the measurement target bus bar BB. The magnitude of this magnetic field HB changes according to the value of the current IB flowing through the measurement target bus bar BB and the distance from the measurement target bus bar BB. On the other hand, the impedance of the
図2は、本実施形態に係るMI素子110を示す図である。図2(A)は、本実施形態に係るMI素子110の詳細を示す図であり、図2(B)は、本実施形態に係るMI素子110と測定対象バスバーBBとの位置関係を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing an
MI素子110は、ミアンダ形状を有しており、その両端に、第1の端部111と第2の端部112とを有している。
The
MI素子110は、4つの磁性体113(第1の磁性体1131、第2の磁性体1132、第3の磁性体1133、第4の磁性体1134)と、3つの接続部114(第1の接続部1141、第2の接続部1142、第3の接続部1143)と、3つの接続端子115(第1の接続端子1151、第2の接続端子1152、第3の接続端子1153)と、を有している。
The
4つの磁性体113の各々は、図2に示すように、測定対象バスバーBB内の電流IBが流れる第1の方向D1(測定対象バスバーBBが延びる方向)に垂直な第2の方向D2に延びており、その両端に端部を有している。図2に示すように、第1の端部111は、第1の磁性体1131の2つの端部の1つであり、第4の端部1134の2つの端部の1つである。
As shown in FIG. 2, each of the four
4つの磁性体113は、図2に示すように、第1の方向D1および第2の方向D2に垂直な第3の方向D3に並んでいる。
As shown in FIG. 2, the four
図2に示されているように、3つの接続部114により4つの磁性体113のうちの隣り合う磁性体の端部が接続されることで、MI素子110は、ミアンダ形状になっている。具体的には、第1の磁性体1131の2つの端部のうちの第1の端部111ではない方の端部と第2の磁性体1132の一端が第1の接続部1141により接続され、第2の磁性体1132の他端と第3の磁性体1133の一端が第2の接続部1142により接続され、第3の磁性体1133の他端と第4の磁性体1134の2つの端部のうちの第2の端部112ではない方の端部が第3の接続部1143により接続されている。
As shown in FIG. 2, the
磁性体113は、透磁率が高い磁性材料である。このため、磁性体113のインピーダンスは、磁気インピーダンス効果により、外部磁場の変化に応じて変化する。
The
接続部114は、非磁性の良導体金属(銅や金)であることが望ましい。
It is desirable that the connecting
第1の接続端子1151は、第1の端部111に接続され、第2の接続端子1152は、第2の端部112に接続され、第3の接続端子1153は、第2の接続部1152に接続されている。
The
本実施形態では、測定対象バスバーBB内の電流IBが流れる第1の方向D1に垂直な第2の方向D2に延びた4つの磁性体113が、第1の方向D1および第2の方向D2に垂直な第3の方向D3に並んでいる。このため、4つの磁性体113は、測定対象バスバーBBからの距離が互いに異なっている。図2に示した例では、第1の磁性体1131が、測定対象バスバーBBに一番近くに配置され、第4の磁性体1134が、測定対象バスバーBBから一番遠くに配置されている。
In the present embodiment, the four
測定対象バスバーBBを流れる電流IBにより生じる磁場HBの大きさは、測定対象バスバーBBから離れるにつれ、小さくなっていく。このため、4つの磁性体113は、互いに異なる大きさの磁場HBに晒されることになる。図2に示した例では、測定対象バスバーBBに一番近くに配置された第1の磁性体1131が晒される磁場HBの大きさが一番大きく、測定対象バスバーBBから一番遠くに配置された磁性体1134が晒される磁場HBの大きさが一番小さくなる。このため、4つの磁性体113は、測定対象バスバーBBに流れる電流IBに対するインピーダンス特性が互いに異なる。
The magnitude of the magnetic field HB generated by the current IB flowing through the measurement target bus bar BB becomes smaller as the distance from the measurement target bus bar BB increases. Therefore, the four
図3は、本実施形態に係るMI素子110の測定対象バスバーBBに流れる電流IBに対するインピーダンス特性を示す図である。図3の破線は、第1の接続端子1151と第3の接続端子1153の間のMI素子110の第1の部分(つまり、第1の磁性体1131、第2の磁性体1132、第1の接続部1141、第2の接続部1142により構成されたMI素子部分)のインピーダンス特性であり、一点鎖線は、第2の接続端子1152と第3の接続端子1153の間のMI素子110の第2の部分(つまり、第3の磁性体1133、第4の磁性体1134、第2の接続部1141、第3の接続部1142により構成されたMI素子部分)のインピーダンス特性である。図3の実線は、MI素子110の第1の部分と第2の部分の合成インピーダンスである。
FIG. 3 is a diagram showing impedance characteristics with respect to the current IB flowing through the measurement target bus bar BB of the
図3に示されているように、合成インピーダンス(実線)は、測定対象バスバーBBを流れる電流IBに対するインピーダンスの変化が安定しない不安定領域(図2の電流IBがゼロの付近)が、MI素子110の第1の部分のインピーダンス特性(破線)とほぼ同じであるにもかかわらず、測定対象バスバーBBに流れる電流IBの値が大きいところで、MI素子110の第1の部分のインピーダンス特性(破線)に比べ、インピーダンスの変化が大きい。
As shown in FIG. 3, the combined impedance (solid line) is the MI element in the unstable region (near zero current IB in FIG. 2) where the change in impedance with respect to the current IB flowing through the bus bar BB to be measured is not stable. Although it is almost the same as the impedance characteristic (broken line) of the first part of the 110, the impedance characteristic (broken line) of the first part of the
このため、本実施形態では、第1の接続端子1153と第2の接続端子1152に制御部120を接続し、MI素子110のインピーダンスの測定することで、測定対象バスバーBBを流れる電流IBを広い範囲で測定することが可能になる。つまり、本実施形態では、測定対象バスバーBBを流れる電流IBが微小電流であっても、大電流であっても測定することが可能になる。
Therefore, in the present embodiment, the
また、図3に示されているように、MI素子110の第1の部分のインピーダンス特性(破線)は、測定対象バスバーBBに流れる電流IBの値が小さいところで、MI素子110の第2の部分のインピーダンス特性(一点鎖線)に比べ、インピーダンスの変化が大きい。一方、MI素子110の第2の部分のインピーダンス特性(一点鎖線)は、測定対象バスバーBBに流れる電流IBの値が大きいところで、MI素子110の第1の部分のインピーダンス特性(破線)に比べ、インピーダンスの変化が大きい。
Further, as shown in FIG. 3, the impedance characteristic (broken line) of the first portion of the
そこで、本実施形態では、制御部120を、第1の接続端子1153、第2の接続端子1152、第3の接続端子1153に接続し、制御部120が、MI素子110全体のインピーダンス、MI素子110の第1の部分のインピーダンス、MI素子110の第2の部分のインピーダンスを測定し、測定されたインピーダンスに基づいて、測定対象バスバーBBを流れる電流IBを測定する。
Therefore, in the present embodiment, the
このため、本実施形態では、MI素子110の第1の部分のインピーダンス成分とMI素子110の第2の部分のインピーダンス成分を合成すると、インピーダンスの変化が図3の実線で示されたような変化となり、測定対象バスバーBBを流れる電流IBを広い範囲で測定することが可能になる。
Therefore, in the present embodiment, when the impedance component of the first portion of the
また、制御部120は、例えば、電流センサ100からの出力を切り替える機能を有するようにすると良い。つまり、制御部120は、電流センサ100からの出力を、MI素子110全体に基づいた出力、MI素子110の第1の部分に基づいた出力、MI素子110の第2の部分に基づいた出力の間で、切り替える機能を有するようにすると良い。このようにすることで、本実施形態では、測定対象バスバーBBを流れる電流IBの大きさに応じて、電流センサ100の出力を切り替えることが可能になり、広い範囲で電流IBを感度良く測定をすることが可能になる。
Further, the
また、本実施形態では、特許文献1に開示された技術とは異なり、電流センサ100は、1つのMI素子110で構成されている。このため、特許文献1に開示された技術とは異なり、複数のMI素子の間の位置ずれ(距離、角度)によって電流IBの測定精度が低下するという問題が存在しない。よって、本実施形態では、広い計測範囲を確保しつつ、精度が高い電流測定を行うことが可能である。
Further, in the present embodiment, unlike the technique disclosed in Patent Document 1, the
なお、第3の接続端子1153が接続する接続部は、第2の接続部1142に限定されない。例えば、第3の接続端子1153は、図4(A)に示すように、第1の接続部1141に接続されていても良い。また、第3の接続端子1153は、第3の接続部1143に接続されていても良い。
The connection portion to which the
また、接続部115の数は、3に限定されない。例えば、MI素子110は、第2の接続部1142に接続された第3の接続部1153の他に、図4(B)のように、第1の接続部1142に接続された第4の接続端子1154を有するようにしても良い。また、MI素子110は、第3の接続部1143に接続された別の接続端子を有するようにしても良い。このようにすることで、MI素子110をさらに細かく分割し、各部分のインピーダンスを測定することが可能になる。結果、測定対象バスバーBBを流れる電流IBに大きさにより適した測定を行うことが可能になる。
Further, the number of connecting
また、図2に示した例では、MI素子110は、4つの磁性体113と、3つの接続部114を有しているが、図5(A)に示すように、2つの磁性体113と、1つの接続部114を有するようにしても良いし、図5(B)に示すように、6つの磁性体113と、5つの接続部114を有するようにしても良い。つまり、MI素子110は、n+1(nは自然数)個の磁性体と、n個の接続部と、を有するようにすると良い。例えば、磁性体113の数を多くすることで、測定対象バスバーBBに一番近い磁性体113が晒される磁場HBの大きさと、測定対象バスバーBBに一番遠い磁性体113が晒される磁場HBの大きさと、の差が大きくなり、結果、より広い範囲で感度の良い電流測定が可能になる。
Further, in the example shown in FIG. 2, the
<バイアス磁場用バスバー130>
バイアス磁場用バスバー130は、図1に示されているように、U字形状をしており、MI素子110を覆っている。つまり、本実施形態では、MI素子110は、U字形状のバイアス磁場用バスバー130のU字部分131に挟まれている。このバイアス磁場用バスバー130には、上記の不安定領域を回避するためのバイアス磁場を発生するために、MI素子110の磁性体113が延びる第2の方向D2にほぼ垂直な方向に電流が流される。
<Bias magnetic
As shown in FIG. 1, the bias magnetic
バイアス磁場を発生するためにコイル(バイアスコイル)内にMI素子を配置した場合、MI素子と測定対象の間に、バイアスコイルが存在することになり、MI素子を測定対象に近付けることが困難になる。一方、本実施形態では、バイアス磁場用バスバー130がU字形状をしているため、MI素子110と測定対象バスバーBBの間に、バイアス磁場用バスバー130が存在しない。よって、本実施形態では、バイアスコイルを用いる電流センサに比べ、MI素子110を測定対象バスバーBBに近付けることが可能である。結果、バイアスコイルを用いる電流センサに比べ、より微小な電流の計測を行うことが可能になる。
When the MI element is placed in the coil (bias coil) to generate the bias magnetic field, the bias coil exists between the MI element and the measurement target, which makes it difficult to bring the MI element closer to the measurement target. Become. On the other hand, in the present embodiment, since the bias magnetic
また、本実施形態では、MI素子110をU字形状のバイアス磁場用バスバー130のU字部分131に挿入するだけであり、本実施形態に係る電流センサ100の構成は、MI素子をバイアスコイル内に配置する構成に比べ、製造が容易な構成であり、結果、本実施形態では、バイアスコイルを用いる電流センサに比べ、製造コストを抑えることが可能である。
Further, in the present embodiment, the
また、特許文献1に開示された技術のように、バイアス磁場を発生するために永久磁石を用いた場合、バイアス磁場の方向を変えることができず、測定対象を流れる電流の方向を判定することができない。一方、本実施形態では、バイアス磁場を発生するために、バスバー130を使用しており、バイアス磁場の方向を変えることができる。このため、測定対象を流れる電流の方向を判定することができる。本実施形態に係る電流センサ100は、畜電池に接続された回路などを流れる電流の測定にも用いることが可能である。
Further, when a permanent magnet is used to generate a bias magnetic field as in the technique disclosed in Patent Document 1, the direction of the bias magnetic field cannot be changed, and the direction of the current flowing through the measurement target is determined. I can't. On the other hand, in the present embodiment, the
コイルに比べ、バスバーの抵抗は、数桁小さくすることが可能である。このため、本実施形態では、バイアスコイルを使用する電流センサに比べ、バイアス磁場を発生するために消費される電力を抑えることが可能である。 Compared to the coil, the resistance of the bus bar can be reduced by several orders of magnitude. Therefore, in the present embodiment, it is possible to suppress the power consumed for generating the bias magnetic field as compared with the current sensor using the bias coil.
本実施形態では、フリップチップボンディングなどを用いて、MI素子110の磁性体がバイアス磁場用バスバー130のU字部分131の中央に位置するように、MI素子110を形成すると良い。このようにすることで、素子保護材を使用する必要が無くなり、MI素子110の厚さを抑制することが可能になる。これにより、U字形状のバイアス磁場用バスバー130のU字部分131の幅Wを小さくすることが可能になり、大きなバイアス磁場を発生することが可能になる。
In the present embodiment, it is preferable to form the
以上、本発明の好適な実施の形態により本発明を説明した。ここでは特定の具体例を示して本発明を説明したが、特許請求の範囲に記載した本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、これら具体例に様々な修正および変更が可能である。 The present invention has been described above according to a preferred embodiment of the present invention. Although the present invention has been described here with reference to specific examples, various modifications and modifications can be made to these specific examples without departing from the spirit and scope of the invention described in the claims.
100 電流センサ
110 MI素子
111 第1の端部
112 第2の端部
113 磁性体
1131 第1の磁性体
1132 第2の磁性体
1133 第3の磁性体
114 接続部
1141 第1の接続部
1142 第2の接続部
1143 第3の接続部
115 接続端子
1151 第1の接続端子
1152 第2の接続端子
1153 第3の接続端子
120 制御部
130 バイアス磁場用バスバー
131 バイアス磁場用バスバー130のU字部分
BB 測定対象バスバー
IB 測定対象バスバーBBを流れる電流
HB 電流IBにより生じる磁場
D1 第1の方向
D2 第2の方向
D3 第3の方向
100
Claims (4)
第1の端部と第2の端部を有する検出素子を有し、
前記検出素子は、
n+1(nは自然数)個の磁性体と、
n個の接続部と、を有し、
前記第1の端部に接続した第1の接続端子と、
前記第2の端部に接続した第2の接続端子と、
前記n個の接続部のうちの1つに接続した第3の接続端子と、を有し、
前記n+1個の磁性体の各々は、前記電流が流れる第1の方向に垂直な第2の方向に延びており、
前記n+1個の磁性体は、前記第1の方向および前記第2の方向に垂直な第3の方向に並べられており、
前記n個の接続部は、前記検出素子がミアンダ形状になるように、前記n+1個の磁性体のうちの隣り合う前記磁性体の端部を接続している、電流センサ。 A current sensor that measures the current flowing through a conductor.
It has a detection element with a first end and a second end,
The detection element is
n + 1 (n is a natural number) magnetic material and
It has n connections and
The first connection terminal connected to the first end and
The second connection terminal connected to the second end,
It has a third connection terminal connected to one of the n connection portions.
Each of the n + 1 magnetic materials extends in a second direction perpendicular to the first direction in which the current flows.
The n + 1 magnetic materials are arranged in the first direction and the third direction perpendicular to the second direction.
The n connection portions are current sensors that connect the ends of adjacent magnetic bodies among the n + 1 magnetic materials so that the detection element has a meander shape.
前記制御部は、前記検出素子のうちの前記第1の接続端子と前記第3の接続端子の間の部分のインピーダンス、および前記検出素子のうちの前記第2の接続端子と前記第3の接続端子の間の部分のインピーダンスを測定し、当該測定されたインピーダンスに基づいて、前記電流の値を算出する、請求項1に記載の電流センサ。 Further having a control unit connected to the first connection terminal, the second connection terminal, and the third connection terminal.
The control unit includes the impedance of the portion of the detection element between the first connection terminal and the third connection terminal, and the second connection terminal of the detection element and the third connection. The current sensor according to claim 1, wherein the impedance of the portion between the terminals is measured, and the value of the current is calculated based on the measured impedance.
前記電流センサは、前記第3の端子が接続された接続部とは異なる接続部に接続された第4の接続端子をさらに有する、請求項1または2に記載の電流センサ。 n is a natural number of 2 or more,
The current sensor according to claim 1 or 2, further comprising a fourth connection terminal connected to a connection portion different from the connection portion to which the third terminal is connected.
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