JP3186356U

JP3186356U - 電流センサ

Info

Publication number: JP3186356U
Application number: JP2013004155U
Authority: JP
Inventors: 真司三ツ谷
Original assignee: Alps Green Devices Co Ltd
Current assignee: Alps Green Devices Co Ltd
Priority date: 2013-07-19
Filing date: 2013-07-19
Publication date: 2013-10-03
Anticipated expiration: 2023-07-19

Abstract

【課題】測定誤差を低減することが可能な電流センサを提供する。
【解決手段】電流センサ１０は、磁気センサ素子３１ａ〜ｈと、磁気センサ素子３１ａ〜ｈに接続された増幅器と、増幅器に接続された可変抵抗器５１とを備え、磁気センサ素子３１ａ〜ｈは磁界を検出する感度軸３３を有し、可変抵抗器５１は強磁性体を有して構成され、可変抵抗器５１は、感度軸３３に対して直交する方向に配置されていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本考案は、電流センサに関し、特に、磁気センサ素子を用いて電流を検出する電流センサに関する。

各種電子機器の制御や監視のために、被測定電流路に取り付けて被測定電流路に流れる電流を測定する電流センサが用いられる。このような電流センサとして、電流のまわりに発生する磁界を検出する磁気センサ素子を用いるものが知られている。下記特許文献１には、磁気センサ素子としてホール素子を用いた電流センサが開示されている。

図７は、特許文献１に記載されている従来例の電流センサの回路図である。図７に示す従来例の電流センサ１１０は、磁気センサ素子としてのホール素子１１６、分圧回路１２４、定電流回路１１８、差動増幅回路１２２、及び中間電圧生成回路１２６を備える。

ホール素子１１６は等価的に４つの抵抗からなるブリッジ回路で表され、ホール素子１１６に印加された外部磁界に比例した電圧がホール素子１１６から出力される。ホール素子１１６からの出力電圧は、差動増幅回路１２２で増幅されて、電流センサ１１０の出力電圧Ｖ_ｏｕｔとしてセンサ出力端子１１５から出力される。

分圧回路１２４において、可変抵抗器ＶＲ_１及びＶＲ_２の抵抗値を調整することで、電源電圧Ｖ_ｃｃが所定の比率で分圧される。分圧回路１２４で分圧された電圧は定電流回路１１８の駆動電圧であり、定電流回路１１８によりホール素子１１６が定電流駆動される。また、中間電圧生成回路１２６は、可変抵抗器ＶＲ_３及びＶＲ_４の抵抗値を調整することによって、電源電圧Ｖ_ｃｃを所定の比率で分圧して、差動増幅回路１２２の基準電圧を出力する。

図７に示すように、差動増幅回路１２２を構成する増幅器（オペアンプ）１３８には可変抵抗器ＶＲ_５が接続されており、可変抵抗器ＶＲ_５の抵抗値を所定の値に調整することにより、差動増幅回路１２２の増幅率（ゲイン）を調整することができる。また、中間電圧生成回路１２６を構成する可変抵抗器ＶＲ_３及びＶＲ_４を調整することにより、ホール素子１１６の出力電圧のオフセット調整が可能である。すなわち、被測定電流が０Ａの場合の出力電圧Ｖ_ｏｕｔが所定の値になるように、中間電圧生成回路１２６の中間電圧が設定される。

特開２０１０−１８１２１１号公報

電流センサ１１０の小型化を実現するために、図７に示す磁気センサ素子（ホール素子）１１６及び差動増幅回路１２２等の各回路１１８、１２４、１２６を、同一基板上に配置して、電流センサ１１０が構成される。そして、差動増幅回路１２２等を構成する可変抵抗器ＶＲ_１〜ＶＲ_５が磁気センサ素子（ホール素子）１１６に隣り合って配置される。

しかしながら、可変抵抗器ＶＲ_１〜ＶＲ_５には強磁性体を備えたものがあるため、被測定電流からの磁束が可変抵抗器ＶＲ_１〜ＶＲ_５に集中し易くなる。そのため、可変抵抗器ＶＲ_１〜ＶＲ_５を磁気センサ素子（ホール素子）１１６の近傍に配置すると、磁気センサ素子（ホール素子）１１６に交差する磁束が変化して被測定電流からの磁界を正確に測定することが困難になり、電流センサ１１０の測定誤差の原因となる。また、被測定電流以外の近隣電流路（図示しない）が電流センサ１１０に隣り合って配置された場合においても、近隣電流路からの磁束が可変抵抗器ＶＲ_１〜ＶＲ_５に集中し易くなる。可変抵抗器ＶＲ_１〜ＶＲ_５に集中した磁束が、磁気センサ素子（ホール素子）１１６に交差すると、被測定電流路に加えて近隣電流路からの磁界を検出してしまう。よって、近隣電流路からの磁界の影響を受けやすくなるため、測定誤差が増大する。

本考案は、上記課題を解決して、測定誤差を低減することが可能な電流センサを提供することを目的とする。

本考案の電流センサは、磁気センサ素子と、前記磁気センサ素子に接続された増幅器と、前記増幅器に接続された可変抵抗器とを備え、前記磁気センサ素子は磁界を検出する感度軸を有し、前記可変抵抗器は強磁性体を有して構成され、前記可変抵抗器は、前記感度軸に対して直交する方向に配置されていることを特徴とする。

本考案によれば、磁気センサ素子の感度軸に直交する方向に可変抵抗器を配置することにより、可変抵抗器が強磁性体を備えており、磁気センサの近くに可変抵抗値が配置されても、感度軸方向において磁気センサ素子を通過する磁束が変わらない。よって、可変抵抗器が有する強磁性体が磁気センサの測定に影響を与えず、測定誤差を低減することが可能である。

本考案の電流センサにおいて、前記磁気センサ素子、前記増幅器及び前記可変抵抗器が配置される基板を有し、前記基板には、被測定電流路が配置される切り欠きが設けられており、前記切り欠きを囲み複数の前記磁気センサ素子が配置されていることが好ましい。これによれば、複数の磁気センサ素子により磁界を検出して、測定精度を向上させることができる。

本考案の電流センサにおいて、複数の前記磁気センサ素子は、前記被測定電流路の仮想断面中心に対して点対称に設けられており、点対称に位置する前記磁気センサ素子の前記感度軸方向は、平行または反平行であることが好ましい。これによれば、点対称に設けられた２つの磁気センサ素子の出力を差動増幅させて、電流センサの感度を向上させることができる。

本考案の電流センサにおいて、前記磁気センサ素子は、磁気抵抗効果素子であることが好適である。これによれば、測定精度及び感度を向上させることができる。

本考案の電流センサによれば、測定誤差を低減することが可能である。

本考案の実施形態における電流センサの分解斜視図である。本実施形態の電流センサを構成する基板の平面図であり、磁気センサ素子及び可変抵抗器の配置を示す平面図である。本実施形態の電流センサの模式回路図である。実施例の電流センサを説明するための、磁気センサ素子及び可変抵抗器の配置を示す部分拡大平面図である。可変抵抗器の配置を変えた電流センサについて、近隣電流路の位置と、電流センサの出力変化率との関係を示すグラフである。本実施形態の変形例を示し、磁気センサ素子及び可変抵抗器の配置を示す平面図である。従来例の電流センサの回路図である。

以下、本考案の電流センサの具体的な実施形態について、図面を参照して説明をする。なお、各図面の寸法は、適宜変更して示している。

図１は、本実施形態の電流センサの分解斜視図である。図２は、本実施形態の電流センサを構成する基板の平面図であり、磁気センサ素子及び可変抵抗器の配置を示す平面図である。

図１に示すように、電流センサ１０は、基板２０と、基板２０を収納する筐体１５と、カバー１８とを有して構成される。図１に示すように、筐体１５は箱状に形成されており、基板２０を収納する収納部１５ａを有している。筐体１５には、その１辺から筐体１５の中央に向かって切り欠かれた切り欠き１６が形成されている。切り欠き１６の先端は、被測定電流路４５の断面形状に係合して湾曲して設けられており、図１に示すように、被測定電流路４５は切り欠き１６を通して配置され、被測定電流路４５を保持するための保持部材１７によって切り欠き１６に固定される。また、カバー１８には筐体１５と同様に切り欠き１９が設けられており、基板２０が収納された収納部１５ａを覆って筐体１５に接合される。

筐体１５及びカバー１８は、例えば、ＡＢＳ（アクリルニトリルブタジエンスチレン）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）等の合成樹脂材料を用いて形成される。

図１及び図２に示すように、基板２０においても、Ｘ１側の辺から中央部に向かい切り欠かれた切り欠き２１が設けられており、被測定電流路４５が切り欠き２１を通して配置される。つまり、基板２０は被測定電流路４５の延在方向Ｚ１−Ｚ２方向に直交して配置される。基板２０には、被測定電流路４５を囲むように複数の磁気センサ素子３１が設けられており、これにより被測定電流路４５を流れる電流によって発生する磁界が検出される。

本実施形態の電流センサ１０において、磁気センサ素子３１として、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ（ＧｉａｎｔＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ））素子が用いられる。また、基板２０には、樹脂基板やセラミック基板等のプリント配線板（ＰＷＢ）を用いることができる。

図２に示すように、基板２０には被測定電流路４５が配置される切り欠き２１が設けられており、切り欠き２１を囲み複数の磁気センサ素子３１ａ〜３１ｈが配置されている。図２において、それぞれの磁気センサ素子３１ａ〜３１ｈの感度軸３３を矢印で示しており、磁気センサ素子３１は、感度軸３３方向において磁気センサ素子３１を通過する磁界成分を検出することができる。

図２に示すように、基板２０の平面において、仮想楕円４３を設定する。仮想楕円４３は、被測定電流路４５の断面中心を中心とし、切り欠き２１の延在方向と同じ方向（Ｘ１−Ｘ２方向）に長軸４１を有し、長軸４１と直交する方向（Ｙ１−Ｙ２方向）に短軸４２を有する。磁気センサ素子３１（３１ａ〜３１ｈ）は、仮想楕円４３に沿って配置されている。また、磁気センサ素子３１のうち４つの磁気センサ素子３１ａ〜３１ｄは切り欠き２１よりもＹ１側に配置され、磁気センサ素子３１ｅ〜３１ｈは切り欠き２１よりもＹ２側に配置される。

そして、Ｙ１側に位置する磁気センサ素子３１ａ〜３１ｄと、Ｙ２側に位置する磁気センサ素子３１ｅ〜３１ｈとの最短の距離ｄ１に対して、磁気センサ素子３１ａ〜３１ｄ同士及び磁気センサ素子３１ｅ〜３１ｈ同士の距離（例えば図２のｄ２、ｄ３等）が小さくなるように配置される。

また、複数の磁気センサ素子３１ａ〜３１ｈは、被測定電流路４５の仮想断面中心に対して点対称に設けられており、点対称に位置する磁気センサ素子３１（例えば磁気センサ素子３１ａ、３１ｈ）の感度軸３３方向は、平行または反平行である。これにより、点対称に位置する磁気センサ素子３１の出力を差動増幅させて出力することができ、電流センサ１０の感度を向上させることができる。

図３には、本実施形態の電流センサ１０の模式回路図を示す。図３に示すように、複数の磁気センサ素子３１（３１ａ〜３１ｈ）は、等価的にブリッジ回路５４を構成して、被測定電流路４５を流れる電流により発生する磁界に応じた出力電圧を出力する。図３に示すように、複数の磁気センサ素子３１からなるブリッジ回路５４には増幅器５３が接続されており、ブリッジ回路５４の出力電圧は、増幅器５３により所定の大きさに増幅されて、電流センサ１０の出力電圧Ｖ_ｏｕｔとして出力される。

また、図３に示すように、増幅器５３には、オフセット調整部５５及び感度調整部５６が接続されている。オフセット調整部５５は、可変抵抗器５１ａ及び５１ｂを有して構成される。感度調整部５６は、可変抵抗器５１ｃを有して構成される。オフセット調整部５５において、可変抵抗器５１ａ、５１ｂは、電源電圧Ｖ_ｃｃの電圧を分圧して、この分圧電圧を増幅器５３の基準電圧として出力する。可変抵抗器５１ａ、５１ｂの抵抗値を調整することにより、出力電圧Ｖ_ｏｕｔのオフセット（被測定電流路４５に電流が流れていないときの出力）が調整される。また、感度調整部５６において、可変抵抗器５１ｃを調整することにより、増幅器５３の増幅率（ゲイン）を調整することができる。

なお、図３に示す増幅器５３及び各可変抵抗器５１等を有する増幅回路は、基板２０において磁気センサ素子３１が形成された面と同一面に形成されており、図１及び図２では増幅回路を省略して示し、可変抵抗器５１の１つのみ示している。

可変抵抗器５１には、例えば、抵抗値を変化させるためのダイヤル、スライダ等の可動部材５２等が設けられており、可動部材５２はＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ又はこれらの合金等からなる強磁性体により形成されている。すなわち、本実施形態において、可変抵抗器５１は強磁性体を有して構成されている。

強磁性体を有する可変抵抗器５１には磁束が集中するため、可変抵抗器５１を磁気センサ素子３１の感度軸３３方向に配置した場合には、感度軸３３方向において磁気センサ素子３１を通過する磁束が増大する。よって、被測定電流路４５からの磁界を正確に検出できず、測定誤差が生じる。本実施形態において、図２に示すように、可変抵抗器５１は、感度軸３３に対して直交する方向に配置されている。これにより、磁気センサ素子３１を通過する磁束が可変抵抗器５１の影響を受けにくくなり、測定誤差を低減することが可能である。

なお、本実施形態において、磁気センサ素子３１はＧＭＲ素子に限定されず、磁界の方向を検出できるセンサ素子であれば良く、例えば、ＡＭＲ（ＡｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子、ＴＭＲ（ＴｕｎｎｅｌＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子、ホール素子等であっても良い。

＜実施例＞
図４は、実施例の電流センサを説明するための、磁気センサ素子及び可変抵抗器の配置を示す部分拡大平面図である。また、図５は、可変抵抗器の配置を変えた電流センサについて、近隣電流路の位置と電流センサの出力変化率との関係を示すグラフである。

本実施例において、図４に示すように、可変抵抗器５１ｄを磁気センサ素子３１ｈの感度軸３３方向に配置した電流センサ１１（比較例１）、可変抵抗器５１ｅを磁気センサ素子３１ｈの感度軸３３方向に対して直交する方向に配置した電流センサ１１（実施例）をそれぞれ用意した。また、（比較例２）として、可変抵抗器５１を設けない電流センサ１１を用意した。

そして、それぞれの電流センサ１１について、外部磁界による測定誤差の大きさについて比較した。具体的には、図４に示すように、被測定電流路４５に隣り合う近隣電流路４６を設けて、近隣電流路４６の位置をＸ１−Ｘ２方向に変えて電流を流した場合における、それぞれの電流センサ１１の出力電圧の変化率を比較した。本実施例において、図４及び図５に示すように、Ｘ１−Ｘ２方向における被測定電流路４５の中心位置を原点として、近隣電流路４６をＸ１方向に＋１０ｍｍ、Ｘ２方向に−１０ｍｍ移動させて、電流センサ１１の出力変化を測定した。

図５は、可変抵抗器の配置を変えた電流センサ（実施例、比較例１、２）について、近隣電流路の位置と、電流センサの出力変化率との関係を示すグラフである。図５に示すように、いずれの電流センサ１１においても、近隣電流路４６を＋１０ｍｍの位置に配置したときに出力変化率が大きくなっている。可変抵抗器５１を設けない（比較例２）の電流センサ１１においては、近隣電流路４６を＋１０ｍｍの位置に設けたときの出力変化率は約−０．２２％である。また、可変抵抗器５１を感度軸３３方向に隣り合って配置した（比較例１）の電流センサ１１では、出力変化率が増大し最大で約−０．５８％の出力変化率を示す。これに対し、可変抵抗器５１を感度軸３３方向に対して直交する方向に配置した（実施例）では、最大の出力変化率が約−０．２５％であり、可変抵抗器５１を設けない（比較例２）と同程度の出力変化率に抑制されている。

また、近隣電流路４６の上下位置を−１０ｍｍから＋１０ｍｍまで変化させたときの出力変化率の幅は、（比較例２）において約０．１４％であり近隣電流路４６の上下位置による影響を受けにくいことが示されている。また、（比較例１）では近隣電流路４６の上下位置による影響を受けやすく約０．４％の変化が生じる。これに対し、（実施例）の電流センサ１１では、約０．２１％の出力変化率の幅である。よって（比較例１）と比較して、（実施例）の電流センサ１１は、近隣電流路４６の上下位置の変化による出力の変化が抑制され、外部磁界の影響を受けにくいことが示されている。

以上により、可変抵抗器５１ｅを感度軸３３方向に対して直交する方向に配置した電流センサ１１（実施例）は、近隣電流路４６が設けられた場合においても、外部磁界の影響による出力電圧の変化を抑制して、測定誤差を低減することが可能であるといえる。

＜変形例＞
図１〜図４に示す電流センサ１０、１１は８個の磁気センサ素子３１を用いているが、これに限定されない。図６は、変形例の電流センサを示し、磁気センサ素子及び可変抵抗器の配置を示す平面図である。図６に示す変形例の電流センサ１２は、６個の磁気センサ素子３２（３２ａ〜３２ｆ）が仮想楕円４３の上に配置されて構成されている。

本変形例においても、図３に示す模式回路図と同様に、磁気センサ素子３２（３２ａ〜３２ｆ）の出力電圧は増幅器５３（図６には図示しない）によって増幅されて、電流センサ１２の出力電圧Ｖ_ｏｕｔとして出力される。図３に示すように、増幅器５３（図示しない）の増幅率の調整、またはオフセット調整のために可変抵抗器５１が増幅器５３に接続されて、図６に示すように可変抵抗器５１が磁気センサ素子３２に隣り合って配置される。本変形例においても、強磁性体を有する可変抵抗器５１は、磁気センサ素子３２ｆの感度軸３３に対して直交する方向に配置されている。

磁気センサ素子３２の感度軸３３に直交する方向に可変抵抗器５１を配置することにより、磁気センサ素子３２を通過する磁束が可変抵抗器５１の影響を受けにくくなり、測定誤差を低減することが可能である。

１０、１１、１２電流センサ
１５筐体
１６、１９、２１切り欠き
２０基板
３１、３１ａ〜３１ｈ、３２、３２ａ〜３２ｆ磁気センサ素子
３３感度軸
４３仮想楕円
４５被測定電流路
４６近隣電流路
５１、５１ａ〜５１ｅ可変抵抗器
５３増幅器
５４ブリッジ回路
５５オフセット調整部
５６感度調整部

Claims

磁気センサ素子と、前記磁気センサ素子に接続された増幅器と、前記増幅器に接続された可変抵抗器とを備え、
前記磁気センサ素子は磁界を検出する感度軸を有し、前記可変抵抗器は強磁性体を有して構成され、
前記可変抵抗器は、前記感度軸に対して直交する方向に配置されていることを特徴とする電流センサ。
前記磁気センサ素子、前記増幅器、及び前記可変抵抗器が配置される基板を有し、
前記基板には、被測定電流路が配置される切り欠きが設けられており、
前記切り欠きを囲み複数の前記磁気センサ素子が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
複数の前記磁気センサ素子は、前記被測定電流路の仮想断面中心に対して点対称に設けられており、点対称に位置する前記磁気センサ素子の前記感度軸方向は、平行または反平行であることを特徴とする請求項２に記載の電流センサ。
前記磁気センサ素子は、磁気抵抗効果素子であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電流センサ。