JP4035773B2 - 電流センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、バイアス磁界の印加を必要とする磁界検出素子を用いた電流センサ、特にバイアス磁界の発生方法を改良した電流センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、マグネトインピーダンス（Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｉｎｐｅｄａｎｃｅ：磁気インピーダンス（ＭＩ））効果を利用する磁気インピーダンス素子や、磁気抵抗素子などの磁界検出素子を用いる電流センサは、一般にカレントトランスやホール素子を用いる電流センサに比べて小形，高感度，高安定という特徴を有している。
しかし、磁界検出素子にＭＩ素子や磁気抵抗素子を用いる場合、通常は同素子にバイアス磁界を印加する必要がある。
【０００３】
バイアス磁界を印加するには、永久磁石を用いる方法（例えば、特許文献１参照）と、コイルを用いる方法（例えば、特許文献２参照）とがある。前者の永久磁石によるものでは、ＭＩ素子の周囲に一様な磁界を与えることが困難であるだけでなく、永久磁石がつくる磁界に温度依存性があることなどから、コイルによってバイアス磁界を与える後者の方が採用される傾向にある。
【０００４】
【特許文献１】
特開平０６−１４８３０１号公報（第３頁、図１）
【特許文献２】
特開平０６−３４７４８９号公報（第５−６頁、図９）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、必要なバイアス磁界をコイルで印加するには、バイアスコイルに大きな電流を流す必要がある。そのため、ＭＩ素子を用いたセンサの駆動には、ホール素子などを用いる従来のセンサ等と比べて大きな消費電力を伴うことが問題となっている。
したがって、この発明の課題は、低消費電力化を図りながら安定したバイアス磁界を印加できるようにすることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するため、請求項１の発明では、永久磁石と、この永久磁石によって生成される均一磁界中に、その均一磁界方向が感磁方向となるように配置された第１，第２の磁気インピーダンス素子（ＭＩ素子）と、これらＭＩ素子のそれぞれに対しその感磁方向に磁界が印加されるように巻かれたバイアスコイルと、前記第１，第２のＭＩ素子からの各出力電圧の差を出力する差動アンプと、前記第１，第２のＭＩ素子からの各出力電圧を加算する加算回路と、定電圧電源とを備え、前記第１，第２のＭＩ素子を挟む位置で、かつ前記永久磁石の発生する磁界に対して垂直に被測定電流導体を配置し、この導体を流れる電流を検出する電流センサにおいて、
前記差動アンプからの出力を被測定電流出力として得るとともに、前記バイアスコイルに対し前記加算回路からの出力電圧と前記定電圧電源からの電圧との差に比例する電流を負帰還信号として与えて一定のバイアス磁界を生成することを特徴とする。
【０００７】
請求項２の発明では、永久磁石と、この永久磁石および被測定電流によって生成される磁界中に磁界方向が感磁方向となる向きで被測定電流による磁界を検出可能な位置に配置された第１の磁気インピーダンス素子（ＭＩ素子）と、前記永久磁石によって生成される磁界中に、磁界方向が感磁方向となる向きでかつ前記被測定電流による影響を受けない位置に配置された第２のＭＩ素子と、前記第１および第２ＭＩ素子にその感磁方向に磁界が印加されるように巻かれたバイアスコイルと、前記第１，第２のＭＩ素子からの各出力電圧の差を出力する第１の差動アンプと、定電圧電源と、交流電源と、前記第２ＭＩ素子からの出力電圧と前記定電圧電源からの電圧との差の電圧を出力する第２の差動アンプとを備え、前記永久磁石の発生する磁界に対し垂直に被測定電流導体を配置し、この導体を流れる電流を検出する電流センサにおいて、
前記第１の差動アンプからの出力を被測定電流出力として得るとともに、前記バイアスコイルに対し前記第２の差動アンプの出力電圧に比例する電流を負帰還信号として与えて一定のバイアス磁界を生成することを特徴とする。
【０００８】
上記請求項２の発明においては、前記被測定電流導線と第２のＭＩ素子との間に磁気シールドを施すことができ（請求項３の発明）、これら請求項２または３の発明においては、前記ＭＩ素子の代わりに磁気抵抗素子、交流電源の代わりに直流電源、をそれぞれ用いることができる（請求項４の発明）。
上記請求項１ないし４のいずれかの発明においては、前記負帰還信号の代わりに、前記定電圧電源に温度抵抗素子を接続し、この温度抵抗素子を介して前記バイアスコイルに電流を流し全バイアス磁界が一定となるようにすることができ（請求項５の発明）、これら請求項１ないし５のいずれかの発明においては、前記永久磁石として２つの永久磁石を用い、異なる磁極を向かい合わせて配置することで、均一なバイアス磁界を生成することができる（請求項６の発明）。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の第１の実施の形態を示す構成図である。
同図において、１ａ，１ｂは永久磁石、２は被測定電流が流れる導線、３ａ，３ｂはＭＩ素子、４ａ，４ｂはバイアスコイルを示す。
すなわち、ＭＩ素子３ａ，３ｂを駆動するに当たり、必要となるバイアス磁界に近い磁界が空間的にほぼ一様に発生されるように、２つの永久磁石１ａ，１ｂを一定の間隔をもって平行に、かつ互いに異なる磁極が向き合うように配置する。被測定電流が流れる導線２はこれら永久磁石１ａ，１ｂの中央付近に配置し、導線２の両側にはバイアスコイル４ａ，４ｂが巻かれたＭＩ素子３ａ，３ｂを、その感磁方向が永久磁石および被測定電流がつくる磁界と平行となるように配置している。
【００１０】
図２に図１の駆動回路例を示す。
ＭＩ素子３ａ，３ｂは抵抗とともにブリッジ回路を構成し、交流電源８により交流駆動（交流電流またはパルス電流）される。ＭＩ素子３ａ，３ｂに発生する電圧はダイオード等で整流され、それぞれの和および差の電圧が加算回路６，差動アンプ７により生成される。差の電圧を出力する差動アンプ７の出力は被測定電流にほぼ比例した電圧となり、これにより電流が測定される。加算回路６からの出力は被測定電流には大きくは依存せず、ほぼ永久磁石およびコイルによるバイアス磁界に比例しＭＩ素子出力の２倍となるが、これが設定した全バイアス磁界による出力と一致するよう、つまり、加算回路６の出力と定電源電圧Ｖｃとの差を差動アンプ７ａで求め、これに比例する電流をバイアスコイル４ａ，４ｂに負帰還電流として与える。その結果、コイルのみでバイアス磁界を発生させるものに比べて消費電力を大幅に低減でき、かつバイアス磁界のドリフトによる影響を受けない電流センサを提供することができる。
【００１１】
図３はこの発明の第２の実施の形態を示す構成図である。
この例は、磁界検出素子９ａ，９ｂを駆動するに当たり、必要となるバイアス磁界に近い磁界が空間的にほぼ一様に発生されるように、２つの永久磁石１ａ，１ｂを一定の間隔をもって平行に、かつ互いに異なる磁極が向き合うように配置する。このとき、バイアスコイル４ａ，４ｂをそれぞれ巻かれた磁界検出素子９ａ，９ｂは、その感磁方向が永久磁石および被測定電流により発生する磁界と平行になるように配置される。
【００１２】
さらに、例えば磁界検出素子９ａは被測定電流により発生する磁界を検出できる位置に配置され、磁界検出素子９ｂは永久磁石による磁界の強さは磁界検出素子９ａと同じになる位置であるが、被測定電流により発生する磁界が十分に小さくなる位置に配置する。磁界検出素子９ｂに対し被測定電流により発生する磁界を小さくする手段としては、磁界検出素子９ｂと被測定電流導線２との間に例えば磁気シールド５を設けることが考えられる。
【００１３】
図４に図３の駆動回路の例を示す。
これは、磁界検出素子としてＭＩ素子３ａ，３ｂを用いる例である。ただし、ここでは磁界検出素子９ｂは被測定電流の影響を受けない位置に配置されているので、その出力は永久磁石およびバイアス磁界によるバイアス磁界相当値となる。そこで、ＭＩ素子３ｂの出力が必要とするバイアス磁界印加時の出力と一致するように定電源電圧Ｖｃを設定し、バイアスコイル４ａ，４ｂに負帰還電流を流すようにする。すなわち、ＭＩ素子３ｂの出力と定電源電圧Ｖｃとの差を差動アンプ７ａで求め、これに比例する電流をバイアスコイル４ａ，４ｂに負帰還電流として与える。これにより、温度変化，経時変化のない安定した出力が得られる電流センサを実現できる。
【００１４】
図５は図３の駆動回路の別の例を示す。
これは、ＭＩ素子の代わりに磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂを用い、交流電源の代わりに直流電源１２をそれぞれ用いた点が特徴である。機能的には図４と同じであるが、ダイオード等の整流器を省略できるので、回路構成を簡単化することができる。
【００１５】
図６に図１，図３に共通する駆動回路の別の例を示す。これは、負帰還を使わずに磁界ドリフトを補償する例である。
図２，図４の場合と同じく、交流電源８によりＭＩ素子３ａ，３ｂを交流駆動し、差動アンプ７により各ＭＩ素子３ａ，３ｂからの出力電圧差を得、これにより電流測定が行なわれる。図２，図４と異なるのはバイアス磁界で、ここでは定電圧電源Ｖｃに対し、バイアスコイル４ａ，４ｂをサーミスタなどの温度抵抗素子１０と直列（図はこの例）または並列に接続している。このとき、コイルに流れる電流によって、全バイアス磁界が一定となるように、サーミスタの温度係数などを選ぶようにする。こうして、負帰還構成によらなくても、温度ドリフトのない安定なバイアス磁界を発生する、低消費電力の電流センサを提供することができる。
【００１６】
以上では、均一磁界を発生させるために２つの永久磁石を用いる例を示したが、磁界の均一性をそれほど高く求めない場合は永久磁石を１つで済ませることが可能である。
【００１７】
【発明の効果】
この発明によれば、バイアス磁界発生のための永久磁石を配置するとともに、この永久磁石の磁界中に被測定電流が流れる導体とＭＩ素子とを適宜な位置関係をもって配置し、各ＭＩ素子には永久磁石によるバイアス磁界の変化を補償するバイアスコイルを巻き、さらにはバイアス磁界を一定に保つためにフィードバック等の手段を用いるようにしたので、僅かな電力で一定のバイアス磁界を発生させることができ、かつ温度補償等も可能な電流センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態を示す構成図
【図２】図１の駆動回路例を示す回路図
【図３】この発明の第２の実施の形態を示す構成図
【図４】図３の第１の駆動回路例を示す回路図
【図５】図３の第２の駆動回路例を示す回路図
【図６】図１，図３の別の駆動回路を示す回路図
【符号の説明】
１ａ，１ｂ…永久磁石、２…被測定電流導線、３ａ，３ｂ…磁気インピーダンス素子（ＭＩ素子）、４ａ，４ｂ…バイアスコイル、５…磁気シールド、６…加算回路、７，７ａ…差動アンプ、８…交流電源、９ａ，９ｂ…磁界検出素子、１０…温度抵抗素子、１１ａ，１１ｂ…磁気抵抗素子、１２…直流電源。

Claims (6)

1. 永久磁石と、この永久磁石によって生成される均一磁界中に、その均一磁界方向が感磁方向となるように配置された第１，第２の磁気インピーダンス素子（ＭＩ素子）と、これらＭＩ素子のそれぞれに対しその感磁方向に磁界が印加されるように巻かれたバイアスコイルと、前記第１，第２のＭＩ素子からの各出力電圧の差を出力する差動アンプと、前記第１，第２のＭＩ素子からの各出力電圧を加算する加算回路と、定電圧電源とを備え、前記第１，第２のＭＩ素子を挟む位置で、かつ前記永久磁石の発生する磁界に対して垂直に被測定電流導体を配置し、この導体を流れる電流を検出する電流センサにおいて、
   前記差動アンプからの出力を被測定電流出力として得るとともに、前記バイアスコイルに対し前記加算回路からの出力電圧と前記定電圧電源からの電圧との差に比例する電流を負帰還信号として与えて一定のバイアス磁界を生成することを特徴とする電流センサ。
2. 永久磁石と、この永久磁石および被測定電流によって生成される磁界中に磁界方向が感磁方向となる向きで被測定電流による磁界を検出可能な位置に配置された第１の磁気インピーダンス素子（ＭＩ素子）と、前記永久磁石によって生成される磁界中に、磁界方向が感磁方向となる向きでかつ前記被測定電流による影響を受けない位置に配置された第２のＭＩ素子と、前記第１および第２ＭＩ素子にその感磁方向に磁界が印加されるように巻かれたバイアスコイルと、前記第１，第２のＭＩ素子からの各出力電圧の差を出力する第１の差動アンプと、定電圧電源と、交流電源と、前記第２ＭＩ素子からの出力電圧と前記定電圧電源からの電圧との差の電圧を出力する第２の差動アンプとを備え、前記永久磁石の発生する磁界に対し垂直に被測定電流導体を配置し、この導体を流れる電流を検出する電流センサにおいて、
   前記第１の差動アンプからの出力を被測定電流出力として得るとともに、前記バイアスコイルに対し前記第２の差動アンプの出力電圧に比例する電流を負帰還信号として与えて一定のバイアス磁界を生成することを特徴とする電流センサ。
3. 前記被測定電流導線と第２のＭＩ素子との間に磁気シールドを施すことを特徴とする請求項２に記載の電流センサ。
4. 前記ＭＩ素子の代わりに磁気抵抗素子、交流電源の代わりに直流電源、をそれぞれ用いることを特徴とする請求項２または３に記載の電流センサ。
5. 前記負帰還信号の代わりに、前記定電圧電源に温度抵抗素子を接続し、この温度抵抗素子を介して前記バイアスコイルに電流を流し全バイアス磁界が一定となるようにすることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の電流センサ。
6. 前記永久磁石として２つの永久磁石を用い、異なる磁極を向かい合わせて配置することで、均一なバイアス磁界を生成することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の電流センサ。

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