JP4247821B2 - 電流センサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、信号線に流れる電流を検出する電流センサに関し、特に、外部磁界に対して透磁率が変化する磁気インピーダンス素子やフラックスゲートセンサ等を用いて電流を検出する高感度電流センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電流を検知する電流センサとしては、カレントトランスやホール素子が使用されている。近年、電気自動車の登場や省電力に対する電力監視等で電流センサの市場の拡大が期待されるが、ネットワーク的な電流管理で電流検知が細分化されて個々の検知レンジが下がるにつれ、より精度の高いものが要求されてきている。電流検知レンジが下がることは、そこで使う磁気センサはより高いＳ／Ｎが要求される。
【０００３】
その中で、従来のホール素子より感度の高い磁気インピーダンス素子やフラックスゲートセンサが候補として期待されている。これら感度の良いセンサを如何にコンパクトに電流センサとして構成するかが重要である。
【０００４】
従来、ホール素子を用いた電流センサは、図９に示すように電流線１００を囲むＣ字状の磁気コア１０２で磁気回路が構成され、そのギャップ部にホール素子１０４が配置されている。ホール素子１０４は強磁性体でないため飽和が無く、強磁界下で動作が可能である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、強磁性体を用いた磁気インピーダンス素子やフラックスゲートセンサは、磁気飽和が存在し、飽和しない範囲で使用しなくてはならない。また、ホール素子の場合と同様に磁気回路を構成すると、アンペアオーダーの電流を検知するにはギャップ部の磁界が大きくなりすぎて磁気飽和に至るため、同様な構成は取れない。
【０００６】
強磁性の高感度の磁気センサは、駆動回路に負帰還等を用いてレンジを広げても±１５ガウス（±１．５ｍＴ）範囲ぐらいの磁界検知範囲に留めることが必要であり、電流線からの磁界をダイレクトに検知する場合には、その距離を調整して検知レンジに入れなければならない。
【０００７】
しかし、電流検知範囲の要求に応じて素子と電流線を一々変えることは、センササイズに制約を与えてしまうため汎用性を低下させ、特に大電流側でサイズが大きくなってしまう。また、電源トランスやその他磁界を発する電気部品等からの磁界に対しての対処も必要であり、磁気シールドを用いるとしても電流線からの磁場に影響を大きく与えず、シールド自体も磁気飽和しない条件も考慮しなくてはならなかった。
【０００８】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたもので、その目的は、大型化することなく、高感度に電流量を検出可能で、生産が容易な電流センサを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、検出対象である平行に配置された２つの電流線部に逆方向に流れる電流を、前記２つの電流線部から発生する磁界を検出することによって計測する電流センサであって、前記平行電流線部の軸を結ぶ延長線上に配置されており、かつ磁性体に直接高周波電流を流し、外部磁界を加えることにより前記磁生体の透磁率が変化する磁気検出素子と、前記平行電流線部及び前記磁気検出素子を囲むための磁気シールドと、前記平行電流線部から発生される磁界の差分値に基づいて前記平行電流線部に流れる電流量を検出する検出手段とを有し、前記平行電流線部の間隔ｄは、前記磁気検出素子に近い側の電流線部と前記磁気検出素子との距離ｓ以下であり、前記平行電流線部と前記磁気シールドの内壁面との距離は前記磁気検出素子に遠い側の電流線部からｄ＋ｓ以上はなれていることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、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。図１は本発明の電流センサの一実施形態を示す斜視図であり、電流検知に関する磁気検出素子と電流線との相対位置関係を説明する図である。
【００１１】
磁気検出素子１０は、非磁性基板１２上に形成された磁性体（磁性薄膜）１４に直接高周波電流を流し、外部磁界によりインピーダンス変化が生じる磁気インピーダンス素子（以下ＭＩ素子と略す）である。磁気検出素子１０のその他の形態としては、薄膜でなくアモルファスワイヤーでＭＩ素子を構成してもよい。更に、磁気検出素子１０に近接配置または巻回したコイルから出力を取り出すフラックスゲートセンサとしても機能させてもよい。
【００１２】
このＭＩ素子は、図１に示すようにガラス等の非磁性基板１２上に磁性薄膜１４によりつづら折れパターンが形成されたもので、その両端に高周波電流を印加する電極１６ａ、１６ｂが形成されている。磁界検知方向は矢印Ｈｉで示すように磁性薄膜１４のパターンの長手方向になっている。
【００１３】
ここで、磁界の検知対象である電流線２０は、端部が折り曲げられ電流線平行部２０ａ，２０ｂを持つ構造となっている。その平行部のそれぞれ中心軸が並ぶＸ方向上に磁気検出素子１０が配置され、更に磁界検出方向と電流線平行部の並び方向とは概ね直交するように方向が決められている。
【００１４】
図２は図１を上部から見た磁気検出素子を含む平面図である。磁気検出素子１０に近い側の電流線平行部を２０ａ，遠い側の電流線平行部を２０ｂとし、その間隔をｄとする。素子検知部である磁性体１４の中心位置と近い側の電流線２０ａの中心との距離をｓとする。
【００１５】
磁気検出素子１０での磁界Ｈは距離に対する逆関数であり、判りやすくするために電流線を無限長として計算すると、
Ｈ＝（Ｉ／ｓ）−（Ｉ／（ｓ＋ｄ））＝（Ｉ×ｄ）／ｓ（ｓ＋ｄ）
となる。
【００１６】
図２には磁界と距離との関係を示す。実線で示す上側の曲線は電流線平行部２０ａによる磁界、下側の曲線は電流線平行部２０ｂによる磁界である。また、破線で示す曲線は電流線平行部２０ａによる磁界と電流線平行部２０ｂによる磁界との合成磁界である。
【００１７】
磁気検出素子１０から遠い側の電流線平行部２０ｂは近い側の電流線平行部２０ａとは電流方向が逆となるため、図２に破線で示すように磁気検出素子１０に対する磁界を距離ｄに応じて弱めることができる。つまり、大電流の検知で磁界が大きくなり従来距離を離さなくてはならなかったセンサの配置で、互いに逆方向の電流が流れる平行線にすれば、間隔ｄを狭くすることで磁気検出素子と信号線を近づけられ、電流センサを小さくすることができる。
【００１８】
具体的には、ｄ＝ｓで単線の磁界に比べ１／２，ｄ＝１／２ｓで１／３の磁界に減衰させることができる。必要な効果を考えれば、ｄをｓ以下にすることがこの電流センサの基本的な構成として望ましい。
【００１９】
電流センサの汎用性を考えれば、電流要求仕様に対してｓ，ｄの寸法を調整すれば、電流センサの外形サイズを変えることなく、素子部に必要な磁界を印加することができる。つまり、製品の外形サイズを一定にまた、回路条件もほとんど変えることなく、電流線の位置関係のみをそれぞれの仕様に応じて変えることで、幅広い電流仕様の製品に対応できる。
【００２０】
電流センサの磁界検知レンジとしては、高感度な磁気センサでは概ね直線性の良い範囲は±３ガウス（±３００μＴ）程度であり、負帰還回路を用いても５倍の拡大が実用的であり、±１５ガウス（±１．５ｍＴ）当たりが上限となる。従って、電流の計測領域の最大がこの数値を超えないように電流線の間隔と磁気検出素子との距離をこの磁界レンジに入るように調整する。
【００２１】
また、磁気検出素子を１個で検知する際には、外部からの磁界を遮断するためにシールドを用いなくてはならないが、適切な位置に設定しないと、電流線の磁界を乱す恐れがある。
【００２２】
電流線の磁界はその軸中心に円周磁界となるが、そのサークル内に磁性体があるとシールド部材に磁束が吸い込まれる傾向が明らかに強くなるため、少なくとも電流線と素子検知部の距離以上はシールドの壁面と距離を取らなくてはならない。図２で説明すると、電流線平行部２０ａ，２０ｂによって形成される磁気検出素子１０を通る円周磁界内２２、２４に磁気シールドがあると、そのシールド材を磁束が伝わろうとする傾向が強くなり、磁気検出素子１０への磁界影響が大きくなるため、図２に示すように囲む磁気シールド部材２６は半径ｓ＋ｄのサークルに掛からないようにすることが重要となる。
【００２３】
次に、生産性を考慮した小型の電流センサの構造について説明する。図３は図１の磁気検出素子を平面状の回路基板３０に取り付けて電流検知ユニットとして構成した場合の一実施形態を示す斜視図である。
【００２４】
磁気検出素子１０は電極１６ａ，１６ｂ側が下側とされ、他の電気部品と共に回路基板３０面に実装されている。３７は詳しく後述するように磁性体１４に高周波電流を印加し、センサ出力を取り出すための駆動回路を有する駆動回路ＩＣである。電流線３２はプレスで打ち抜いて曲げを施した低電気抵抗の銅のような導電材で作製されている。電流線３２は電流線平行部３２ａ、３２ｂの間隔に対して開口端側の間隔を広げてあり、電流線平行部３２ａ、３２ｂの下端が端子となっている。この構造では、検知電流の仕様に応じて電流線平行部の間隔を変えても、開口端の間隔を広くしておけば、製品シリーズで外形の端子寸法を共通にできる。
【００２５】
また、図１の電流線は丸棒状のものを曲げたものであったが、図３に示すように電流線３２は断面が矩形でもよい。むしろ、電流線の断面は矩形である方が、磁気検出素子１０と電流線をより近接できる上で望ましい。更に、磁気検出素子への磁界が円弧状にかかるのが、電流線が断面矩形の場合には、磁界が磁界検知方向に伸ばされた形になり磁界分布も安定する効果も得られる。この際、素子検知部である磁性体１４の磁界検知方向の長さよりも電流線平行部における断面矩形の幅が大きい方が望ましい。
【００２６】
この電流線３２は回路基板３０の内側に貫通穴又は切り欠き３０ａを通して配置されており、電流線平行部３２ａ，３２ｂの軸が並ぶ方向に磁気検出素子１０が配置されている。この構造であれば、ベース部材３４に電流線３２を立てておき、磁気検出素子１０を実装した回路基板３０を上から載せ、更に磁気シールド部材３６を被せることで組み立てが容易となる。
【００２７】
また、電流センサは大量生産が必要で、このように積み上げ式の製造方法はそれに適している。また、回路基板３０と磁気シールド部材３６及び電流線３２の中心軸３８を固定し、電流線平行部の間隔ｄを変えるだけでも、かなりの電流範囲をカバーできる電流センサが構成でき、電流仕様に応じて周辺部品がそれぞれ異なってしまう煩雑さは無い。
【００２８】
次に、上述の電流検知ユニットの評価結果について説明する。図４は評価に用いた電流センサを示す。この電流センサは非磁性基板４０上に細長い磁性薄膜でＭＩ素子４２が形成され、その上に更に渦巻きコイル４４が形成されている。ＭＩ素子４２の両端は電極４６ａ、４６ａに接続されている。
【００２９】
また、渦巻きコイル４４は左側コイルとそれに接続された右側コイルから成っており、左側コイルの内周端が電極４６ｂに接続され、右側コイルの内周端が電極４６ｂに接続されている。外部よりＭＩ素子４２に通電し、コイル４４より出力を取り出すことができる。
【００３０】
図５は電流センサの駆動回路を示す。これは、磁性体１４に高周波電流を印加してその透磁率の変化をコイル出力として取り出す例である。まず、パルス発振器５０よりバッファ５２、電流調整抵抗器５４を通してＭＩ素子４２にプラスマイナス均等に高周波電流を印加する。コイル４４の出力は外部磁界に対して変化し、それを検波回路５６ｐ，５６ｍでプラスマイナスのピーク変化を取り出し、抵抗器５８ｐ，５８ｍより中点の信号を出力し、増幅器６０で増幅することによりセンサ出力Ｅｏｕｔが得られる。
【００３１】
不図示ではあるが、磁気検出素子に磁界検出方向に沿ったソレノイド状コイルを巻き付け、出力Ｅｏｕｔより帰還量調整の抵抗器を介してアースに接続することで、負帰還構成にすることも可能であり、精度向上や電流検知範囲の拡大も可能である。
【００３２】
また、電流線の寸法であるが、断面で見て幅５ｍｍ、厚さ１．５ｍｍの銅線でＵ字電流線を構成し、平行電流線部の間隔３ｍｍ、近接する側の電流線と磁気検出素子の検知軸との距離を４．５ｍｍとしている（電流線の高さは、２１．５ｍｍ）。図５の駆動回路は電源電圧５Ｖで駆動し、増幅器６０のゲインは１００倍に設定した。また、電流センサの周囲はパーマロイで囲った。
【００３３】
図６はＤＣ±１５Ａでの電流検知特性を示す。良好な直線性が得られていることが分かる。このデータの傾斜より磁気検出素子の磁界検知特性から逆算すると、１Ａ当たり０．０８ガウス（８μＴ）の磁界になった。無限長で２本の逆方向の平行線の磁界計算では０．１７８ガウス（１７．８μＴ）であったが、電流線が有限長であることと、シールドとの磁気回路の形成から、磁界は半分弱になった。仮に、これが無限長の単線で同様な磁界をシールドなしで形成すると、磁気検出素子と電流線との距離は２５ｍｍ取らなくてはならず、この構成で磁気検出素子と電流線の距離は１／４以下にでき、電流センサの小型化に寄与できることがわかる。
【００３４】
図７は別の駆動回路を示す。これは、磁性体１４に高周波電流を印加し、そのインピーダンス変化を取り出す例である。また、図４の電流センサを同様に用いたが、渦巻きコイル４４はバイアス磁界用コイルとして用い、センサ出力はＭＩ素子４２に通電する高周波電流に対する電圧振幅変化として取り出す。６２は発振回路であり、バッファ６４及び電流調整用抵抗器６６を介してＭＩ素子４２に高周波電流を通電する。
【００３５】
渦巻きコイル４４にはＤＣバイアス電流Ｉｂを印加しておく。高周波電流からの磁界変化はＭＩ素子４２の両端の振幅変化として現われ、検波回路６８を通し、増幅回路７０で増幅することでセンサ出力が得られる。
【００３６】
図８は電流検知ユニットの他の実施形態を示す。図８では図３と同一部分は同一符号を付している。図８に示すように磁気検出素子１０が実装された回路基板３０が電流線平行部と平行になるように立てられ、磁気検出素子１０は電流線部３２ａ、３２ｂの並び方向の延長線上に配置されている。このような構成であっても、磁界検出方向は電流線平行部３２ａ、３２ｂの並び方向と直角方向であれば良い。
【００３７】
次に、本発明の実施態様を以下に列挙する。
【００３８】
（実施態様１） 磁性体に直接高周波電流を流し、外部磁界によりその透磁率が変化する磁気検出素子を用いた電流センサであって、電流の流れる方向が逆向きで同じ電流量の平行電流線部を有し、その平行電流線部の軸を結ぶ延長線上に前記磁気検出素子が配置され、前記磁気検出素子の磁界検出方向はその延長線とは直角方向であり、当該磁気検出素子に近い側の平行電流線部の磁界と遠い側の平行電流線部の逆方向の磁界の差分を検知して、前記平行電流線部に流れる電流量を検知することを特徴とする電流センサ。
【００３９】
（実施態様２） 電流計測の最大値に対する前記磁気検出素子にかかる磁界を±１．５ｍＴ（ミリテスラ）以下にしたことを特徴とする実施態様１に記載の電流センサ。
【００４０】
（実施態様３） 前記磁気検出素子に近い側の電流線と遠い側の電流線の片側端同士が、センサ内部で結合されていることを特徴とする実施態様1に記載の電流センサ。
【００４１】
（実施態様４） 前記磁気検出素子に近い側の電流線と遠い側の電流線は互いの端部がＵ字状の電流線部により接続されていることを特徴とする実施態様１に記載の電流センサ。
【００４２】
（実施態様５） 前記電流線部は、前記磁気検出素子の磁界検知方向に沿って細長い矩形断面を持ち、その長手方向の幅が素子検知部の長さ以上であることを特徴とする実施態様１に記載の電流センサ。
【００４３】
（実施態様６） 前記平行電流部の電流線間隔ｄは、前記磁気検出素子に近い側の電流線と前記磁気検出素子の距離ｓ以下であることを特徴とする実施態様５に記載の電流センサ。
【００４４】
（実施態様７） 前記平行電流線部及び前記磁気検出素子を囲む磁気シールドが設けられ、前記平行電流線部と前記磁気シールドの内壁面との距離がｄ＋ｓ以上離れていることを特徴とする実施態様６に記載の電流センサ。
【００４５】
（実施態様８） 実施態様１〜７のいずれか１項に記載の電流センサを備えた電流検知ユニットであって、前記磁気検出素子を実装する回路基板の一部に貫通穴又は切り欠きが設けられ、その部分に往復する平行電流線部を通し、平行電流線部が並ぶ方向の前記回路基板上に前記磁気検出素子が実装され、前記回路基板上には高周波電流を流した前記磁気検出素子の磁性体両端のインピーダンス変化を検出する回路が搭載されていることを特徴とする電流検知ユニット。
【００４６】
（実施態様９） 実施態様１〜７のいずれか１項に記載の電流センサを備えた電流検知ユニットであって、前記磁気検出素子を実装する回路基板の一部に貫通穴又は切り欠きが設けられ、その部分に往復する平行平行線部を通し、平行電流線部が並ぶ方向の前記回路基板上に前記磁気検出素子が実装され、前記回路基板上には前記磁気検出素子に近接配置されたコイルの電圧変化を検出する回路が搭載されていることを特徴とする電流検知ユニット。
【００４７】
（実施態様１０） 実施態様１〜７のいずれか１項に記載の電流センサを備えた電流検知ユニットであって、前記磁気検出素子を実装する回路基板が、前記平行電流線部の方向に沿って平行に配置され、前記平行電流線部の並び方向における前記回路基板上に前記磁気検出素子が実装され、前記回路基板には高周波電流を流した前記磁気検出素子の磁性体両端のインピーダンス変化を検出する回路が搭載されていることを特徴とする電流検知ユニット。
【００４８】
（実施態様１１） 実施態様１〜７のいずれか１項に記載の電流センサを備えた電流検知ユニットであって、前記磁気検出素子と接続する回路基板が、前記平行電流線部の方向に沿って平行に配置され、前記平行電流線部の並び方向における前記回路基板上に前記磁気検出素子が実装され、前記回路基板には高周波電流を流した磁性体に近接して配置されたコイルの電圧変化を検出する回路が搭載されていることを特徴とする電流検知ユニット。
【００４９】
（実施態様１２） 前記電流センサ、回路基板を囲むように磁気シールド部材を設けたことを特徴とする実施態様８乃至１１のいずれか１項に記載の電流検知ユニット。
【００５０】
（実施態様１３） 前記磁気シールド部材内における前記平行電流線部の間隔と、前記磁気シールド部材から突出した前記平行電流線部の間隔は異なることを特徴とする実施態様１２に記載の電流検知ユニット。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、大電流に対してもサイズが大きくならない電流センサを高感度の磁気検出素子を用いて構成でき、高感度で小型の電流センサを実現することができる。また、磁気検出素子と電流線が非接触であるため、電気回路的な相互影響がなく、検知対象となる電流信号に挿入インピーダンスの影響やその他干渉の影響は皆無である。
【００５２】
また、大きな磁束の発生がないため、大きな磁気シールドを必要とせず、従来のように磁気シールドに対して磁気飽和等の条件を考慮する必要がない、従来のホール素子のように磁気コアを用いないためコア材のヒステリシス損による発熱の心配が無い等の効果が得られる。
【００５３】
更に、回路基板に磁気検出素子を実装し、磁気検出素子の近傍に設けられた貫通穴又は切り欠きへ往復する電流平行線部を通したり、或いは磁気検出素子が実装された基板を電流線に対して平行になるような構造とすることにより、生産性の高い電流検知ユニットを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電流センサの一実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１の平面図である。
【図３】図１の電流センサを用いた電流検知ユニットの一実施形態を示す斜視図である。
【図４】本発明の評価実験に用いた電流センサを示す斜視図である。
【図５】本発明の評価実験に用いた駆動回路を示す回路図である。
【図６】本発明の評価実験結果の電流検知特性を示す図である。
【図７】駆動回路の他の例を示す回路図である。
【図８】電流検知ユニットの他の実施形態を示す斜視図である。
【図９】従来例のホール素子を用いた電流センサを示す斜視図である。
【符号の説明】
１０ 磁気検出素子
１２ 非磁性基板
１４ 磁性体（磁性薄膜）
１６ａ１６ｂ 電極
２０ 電流線
２０ａ、２０ｂ 電流線平行部
２２、２４ 円周磁界
２６ 磁気シールド
３０ 回路基板
３２ 電流線
３２ａ、３２ｂ 電流線平行部
３４ ベース部材
３６ 磁気シールド部材
３７ 駆動回路ＩＣ
３８ 電流線の中心軸
４０ 非磁性基板
４２ ＭＩ素子
４４ 渦巻コイル
４６ａ、４６ｂ 電極
５０ パルス発振器
５２ バッファ
５４ 電流調整用抵抗器
５６ｐ、５６ｍ 検波回路
５８ｐ、５８ｍ 抵抗器
６０ 増幅器
６２ パルス発振器
６４ バッファ
６６ 電流調整用抵抗器
６８ 検波回路
７０ 増幅器
【発明の属する技術分野】
本発明は、信号線に流れる電流を検出する電流センサに関し、特に、外部磁界に対して透磁率が変化する磁気インピーダンス素子やフラックスゲートセンサ等を用いて電流を検出する高感度電流センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電流を検知する電流センサとしては、カレントトランスやホール素子が使用されている。近年、電気自動車の登場や省電力に対する電力監視等で電流センサの市場の拡大が期待されるが、ネットワーク的な電流管理で電流検知が細分化されて個々の検知レンジが下がるにつれ、より精度の高いものが要求されてきている。電流検知レンジが下がることは、そこで使う磁気センサはより高いＳ／Ｎが要求される。
【０００３】
その中で、従来のホール素子より感度の高い磁気インピーダンス素子やフラックスゲートセンサが候補として期待されている。これら感度の良いセンサを如何にコンパクトに電流センサとして構成するかが重要である。
【０００４】
従来、ホール素子を用いた電流センサは、図９に示すように電流線１００を囲むＣ字状の磁気コア１０２で磁気回路が構成され、そのギャップ部にホール素子１０４が配置されている。ホール素子１０４は強磁性体でないため飽和が無く、強磁界下で動作が可能である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、強磁性体を用いた磁気インピーダンス素子やフラックスゲートセンサは、磁気飽和が存在し、飽和しない範囲で使用しなくてはならない。また、ホール素子の場合と同様に磁気回路を構成すると、アンペアオーダーの電流を検知するにはギャップ部の磁界が大きくなりすぎて磁気飽和に至るため、同様な構成は取れない。
【０００６】
強磁性の高感度の磁気センサは、駆動回路に負帰還等を用いてレンジを広げても±１５ガウス（±１．５ｍＴ）範囲ぐらいの磁界検知範囲に留めることが必要であり、電流線からの磁界をダイレクトに検知する場合には、その距離を調整して検知レンジに入れなければならない。
【０００７】
しかし、電流検知範囲の要求に応じて素子と電流線を一々変えることは、センササイズに制約を与えてしまうため汎用性を低下させ、特に大電流側でサイズが大きくなってしまう。また、電源トランスやその他磁界を発する電気部品等からの磁界に対しての対処も必要であり、磁気シールドを用いるとしても電流線からの磁場に影響を大きく与えず、シールド自体も磁気飽和しない条件も考慮しなくてはならなかった。
【０００８】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたもので、その目的は、大型化することなく、高感度に電流量を検出可能で、生産が容易な電流センサを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、検出対象である平行に配置された２つの電流線部に逆方向に流れる電流を、前記２つの電流線部から発生する磁界を検出することによって計測する電流センサであって、前記平行電流線部の軸を結ぶ延長線上に配置されており、かつ磁性体に直接高周波電流を流し、外部磁界を加えることにより前記磁生体の透磁率が変化する磁気検出素子と、前記平行電流線部及び前記磁気検出素子を囲むための磁気シールドと、前記平行電流線部から発生される磁界の差分値に基づいて前記平行電流線部に流れる電流量を検出する検出手段とを有し、前記平行電流線部の間隔ｄは、前記磁気検出素子に近い側の電流線部と前記磁気検出素子との距離ｓ以下であり、前記平行電流線部と前記磁気シールドの内壁面との距離は前記磁気検出素子に遠い側の電流線部からｄ＋ｓ以上はなれていることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、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。図１は本発明の電流センサの一実施形態を示す斜視図であり、電流検知に関する磁気検出素子と電流線との相対位置関係を説明する図である。
【００１１】
磁気検出素子１０は、非磁性基板１２上に形成された磁性体（磁性薄膜）１４に直接高周波電流を流し、外部磁界によりインピーダンス変化が生じる磁気インピーダンス素子（以下ＭＩ素子と略す）である。磁気検出素子１０のその他の形態としては、薄膜でなくアモルファスワイヤーでＭＩ素子を構成してもよい。更に、磁気検出素子１０に近接配置または巻回したコイルから出力を取り出すフラックスゲートセンサとしても機能させてもよい。
【００１２】
このＭＩ素子は、図１に示すようにガラス等の非磁性基板１２上に磁性薄膜１４によりつづら折れパターンが形成されたもので、その両端に高周波電流を印加する電極１６ａ、１６ｂが形成されている。磁界検知方向は矢印Ｈｉで示すように磁性薄膜１４のパターンの長手方向になっている。
【００１３】
ここで、磁界の検知対象である電流線２０は、端部が折り曲げられ電流線平行部２０ａ，２０ｂを持つ構造となっている。その平行部のそれぞれ中心軸が並ぶＸ方向上に磁気検出素子１０が配置され、更に磁界検出方向と電流線平行部の並び方向とは概ね直交するように方向が決められている。
【００１４】
図２は図１を上部から見た磁気検出素子を含む平面図である。磁気検出素子１０に近い側の電流線平行部を２０ａ，遠い側の電流線平行部を２０ｂとし、その間隔をｄとする。素子検知部である磁性体１４の中心位置と近い側の電流線２０ａの中心との距離をｓとする。
【００１５】
磁気検出素子１０での磁界Ｈは距離に対する逆関数であり、判りやすくするために電流線を無限長として計算すると、
Ｈ＝（Ｉ／ｓ）−（Ｉ／（ｓ＋ｄ））＝（Ｉ×ｄ）／ｓ（ｓ＋ｄ）
となる。
【００１６】
図２には磁界と距離との関係を示す。実線で示す上側の曲線は電流線平行部２０ａによる磁界、下側の曲線は電流線平行部２０ｂによる磁界である。また、破線で示す曲線は電流線平行部２０ａによる磁界と電流線平行部２０ｂによる磁界との合成磁界である。
【００１７】
磁気検出素子１０から遠い側の電流線平行部２０ｂは近い側の電流線平行部２０ａとは電流方向が逆となるため、図２に破線で示すように磁気検出素子１０に対する磁界を距離ｄに応じて弱めることができる。つまり、大電流の検知で磁界が大きくなり従来距離を離さなくてはならなかったセンサの配置で、互いに逆方向の電流が流れる平行線にすれば、間隔ｄを狭くすることで磁気検出素子と信号線を近づけられ、電流センサを小さくすることができる。
【００１８】
具体的には、ｄ＝ｓで単線の磁界に比べ１／２，ｄ＝１／２ｓで１／３の磁界に減衰させることができる。必要な効果を考えれば、ｄをｓ以下にすることがこの電流センサの基本的な構成として望ましい。
【００１９】
電流センサの汎用性を考えれば、電流要求仕様に対してｓ，ｄの寸法を調整すれば、電流センサの外形サイズを変えることなく、素子部に必要な磁界を印加することができる。つまり、製品の外形サイズを一定にまた、回路条件もほとんど変えることなく、電流線の位置関係のみをそれぞれの仕様に応じて変えることで、幅広い電流仕様の製品に対応できる。
【００２０】
電流センサの磁界検知レンジとしては、高感度な磁気センサでは概ね直線性の良い範囲は±３ガウス（±３００μＴ）程度であり、負帰還回路を用いても５倍の拡大が実用的であり、±１５ガウス（±１．５ｍＴ）当たりが上限となる。従って、電流の計測領域の最大がこの数値を超えないように電流線の間隔と磁気検出素子との距離をこの磁界レンジに入るように調整する。
【００２１】
また、磁気検出素子を１個で検知する際には、外部からの磁界を遮断するためにシールドを用いなくてはならないが、適切な位置に設定しないと、電流線の磁界を乱す恐れがある。
【００２２】
電流線の磁界はその軸中心に円周磁界となるが、そのサークル内に磁性体があるとシールド部材に磁束が吸い込まれる傾向が明らかに強くなるため、少なくとも電流線と素子検知部の距離以上はシールドの壁面と距離を取らなくてはならない。図２で説明すると、電流線平行部２０ａ，２０ｂによって形成される磁気検出素子１０を通る円周磁界内２２、２４に磁気シールドがあると、そのシールド材を磁束が伝わろうとする傾向が強くなり、磁気検出素子１０への磁界影響が大きくなるため、図２に示すように囲む磁気シールド部材２６は半径ｓ＋ｄのサークルに掛からないようにすることが重要となる。
【００２３】
次に、生産性を考慮した小型の電流センサの構造について説明する。図３は図１の磁気検出素子を平面状の回路基板３０に取り付けて電流検知ユニットとして構成した場合の一実施形態を示す斜視図である。
【００２４】
磁気検出素子１０は電極１６ａ，１６ｂ側が下側とされ、他の電気部品と共に回路基板３０面に実装されている。３７は詳しく後述するように磁性体１４に高周波電流を印加し、センサ出力を取り出すための駆動回路を有する駆動回路ＩＣである。電流線３２はプレスで打ち抜いて曲げを施した低電気抵抗の銅のような導電材で作製されている。電流線３２は電流線平行部３２ａ、３２ｂの間隔に対して開口端側の間隔を広げてあり、電流線平行部３２ａ、３２ｂの下端が端子となっている。この構造では、検知電流の仕様に応じて電流線平行部の間隔を変えても、開口端の間隔を広くしておけば、製品シリーズで外形の端子寸法を共通にできる。
【００２５】
また、図１の電流線は丸棒状のものを曲げたものであったが、図３に示すように電流線３２は断面が矩形でもよい。むしろ、電流線の断面は矩形である方が、磁気検出素子１０と電流線をより近接できる上で望ましい。更に、磁気検出素子への磁界が円弧状にかかるのが、電流線が断面矩形の場合には、磁界が磁界検知方向に伸ばされた形になり磁界分布も安定する効果も得られる。この際、素子検知部である磁性体１４の磁界検知方向の長さよりも電流線平行部における断面矩形の幅が大きい方が望ましい。
【００２６】
この電流線３２は回路基板３０の内側に貫通穴又は切り欠き３０ａを通して配置されており、電流線平行部３２ａ，３２ｂの軸が並ぶ方向に磁気検出素子１０が配置されている。この構造であれば、ベース部材３４に電流線３２を立てておき、磁気検出素子１０を実装した回路基板３０を上から載せ、更に磁気シールド部材３６を被せることで組み立てが容易となる。
【００２７】
また、電流センサは大量生産が必要で、このように積み上げ式の製造方法はそれに適している。また、回路基板３０と磁気シールド部材３６及び電流線３２の中心軸３８を固定し、電流線平行部の間隔ｄを変えるだけでも、かなりの電流範囲をカバーできる電流センサが構成でき、電流仕様に応じて周辺部品がそれぞれ異なってしまう煩雑さは無い。
【００２８】
次に、上述の電流検知ユニットの評価結果について説明する。図４は評価に用いた電流センサを示す。この電流センサは非磁性基板４０上に細長い磁性薄膜でＭＩ素子４２が形成され、その上に更に渦巻きコイル４４が形成されている。ＭＩ素子４２の両端は電極４６ａ、４６ａに接続されている。
【００２９】
また、渦巻きコイル４４は左側コイルとそれに接続された右側コイルから成っており、左側コイルの内周端が電極４６ｂに接続され、右側コイルの内周端が電極４６ｂに接続されている。外部よりＭＩ素子４２に通電し、コイル４４より出力を取り出すことができる。
【００３０】
図５は電流センサの駆動回路を示す。これは、磁性体１４に高周波電流を印加してその透磁率の変化をコイル出力として取り出す例である。まず、パルス発振器５０よりバッファ５２、電流調整抵抗器５４を通してＭＩ素子４２にプラスマイナス均等に高周波電流を印加する。コイル４４の出力は外部磁界に対して変化し、それを検波回路５６ｐ，５６ｍでプラスマイナスのピーク変化を取り出し、抵抗器５８ｐ，５８ｍより中点の信号を出力し、増幅器６０で増幅することによりセンサ出力Ｅｏｕｔが得られる。
【００３１】
不図示ではあるが、磁気検出素子に磁界検出方向に沿ったソレノイド状コイルを巻き付け、出力Ｅｏｕｔより帰還量調整の抵抗器を介してアースに接続することで、負帰還構成にすることも可能であり、精度向上や電流検知範囲の拡大も可能である。
【００３２】
また、電流線の寸法であるが、断面で見て幅５ｍｍ、厚さ１．５ｍｍの銅線でＵ字電流線を構成し、平行電流線部の間隔３ｍｍ、近接する側の電流線と磁気検出素子の検知軸との距離を４．５ｍｍとしている（電流線の高さは、２１．５ｍｍ）。図５の駆動回路は電源電圧５Ｖで駆動し、増幅器６０のゲインは１００倍に設定した。また、電流センサの周囲はパーマロイで囲った。
【００３３】
図６はＤＣ±１５Ａでの電流検知特性を示す。良好な直線性が得られていることが分かる。このデータの傾斜より磁気検出素子の磁界検知特性から逆算すると、１Ａ当たり０．０８ガウス（８μＴ）の磁界になった。無限長で２本の逆方向の平行線の磁界計算では０．１７８ガウス（１７．８μＴ）であったが、電流線が有限長であることと、シールドとの磁気回路の形成から、磁界は半分弱になった。仮に、これが無限長の単線で同様な磁界をシールドなしで形成すると、磁気検出素子と電流線との距離は２５ｍｍ取らなくてはならず、この構成で磁気検出素子と電流線の距離は１／４以下にでき、電流センサの小型化に寄与できることがわかる。
【００３４】
図７は別の駆動回路を示す。これは、磁性体１４に高周波電流を印加し、そのインピーダンス変化を取り出す例である。また、図４の電流センサを同様に用いたが、渦巻きコイル４４はバイアス磁界用コイルとして用い、センサ出力はＭＩ素子４２に通電する高周波電流に対する電圧振幅変化として取り出す。６２は発振回路であり、バッファ６４及び電流調整用抵抗器６６を介してＭＩ素子４２に高周波電流を通電する。
【００３５】
渦巻きコイル４４にはＤＣバイアス電流Ｉｂを印加しておく。高周波電流からの磁界変化はＭＩ素子４２の両端の振幅変化として現われ、検波回路６８を通し、増幅回路７０で増幅することでセンサ出力が得られる。
【００３６】
図８は電流検知ユニットの他の実施形態を示す。図８では図３と同一部分は同一符号を付している。図８に示すように磁気検出素子１０が実装された回路基板３０が電流線平行部と平行になるように立てられ、磁気検出素子１０は電流線部３２ａ、３２ｂの並び方向の延長線上に配置されている。このような構成であっても、磁界検出方向は電流線平行部３２ａ、３２ｂの並び方向と直角方向であれば良い。
【００３７】
次に、本発明の実施態様を以下に列挙する。
【００３８】
（実施態様１） 磁性体に直接高周波電流を流し、外部磁界によりその透磁率が変化する磁気検出素子を用いた電流センサであって、電流の流れる方向が逆向きで同じ電流量の平行電流線部を有し、その平行電流線部の軸を結ぶ延長線上に前記磁気検出素子が配置され、前記磁気検出素子の磁界検出方向はその延長線とは直角方向であり、当該磁気検出素子に近い側の平行電流線部の磁界と遠い側の平行電流線部の逆方向の磁界の差分を検知して、前記平行電流線部に流れる電流量を検知することを特徴とする電流センサ。
【００３９】
（実施態様２） 電流計測の最大値に対する前記磁気検出素子にかかる磁界を±１．５ｍＴ（ミリテスラ）以下にしたことを特徴とする実施態様１に記載の電流センサ。
【００４０】
（実施態様３） 前記磁気検出素子に近い側の電流線と遠い側の電流線の片側端同士が、センサ内部で結合されていることを特徴とする実施態様1に記載の電流センサ。
【００４１】
（実施態様４） 前記磁気検出素子に近い側の電流線と遠い側の電流線は互いの端部がＵ字状の電流線部により接続されていることを特徴とする実施態様１に記載の電流センサ。
【００４２】
（実施態様５） 前記電流線部は、前記磁気検出素子の磁界検知方向に沿って細長い矩形断面を持ち、その長手方向の幅が素子検知部の長さ以上であることを特徴とする実施態様１に記載の電流センサ。
【００４３】
（実施態様６） 前記平行電流部の電流線間隔ｄは、前記磁気検出素子に近い側の電流線と前記磁気検出素子の距離ｓ以下であることを特徴とする実施態様５に記載の電流センサ。
【００４４】
（実施態様７） 前記平行電流線部及び前記磁気検出素子を囲む磁気シールドが設けられ、前記平行電流線部と前記磁気シールドの内壁面との距離がｄ＋ｓ以上離れていることを特徴とする実施態様６に記載の電流センサ。
【００４５】
（実施態様８） 実施態様１〜７のいずれか１項に記載の電流センサを備えた電流検知ユニットであって、前記磁気検出素子を実装する回路基板の一部に貫通穴又は切り欠きが設けられ、その部分に往復する平行電流線部を通し、平行電流線部が並ぶ方向の前記回路基板上に前記磁気検出素子が実装され、前記回路基板上には高周波電流を流した前記磁気検出素子の磁性体両端のインピーダンス変化を検出する回路が搭載されていることを特徴とする電流検知ユニット。
【００４６】
（実施態様９） 実施態様１〜７のいずれか１項に記載の電流センサを備えた電流検知ユニットであって、前記磁気検出素子を実装する回路基板の一部に貫通穴又は切り欠きが設けられ、その部分に往復する平行平行線部を通し、平行電流線部が並ぶ方向の前記回路基板上に前記磁気検出素子が実装され、前記回路基板上には前記磁気検出素子に近接配置されたコイルの電圧変化を検出する回路が搭載されていることを特徴とする電流検知ユニット。
【００４７】
（実施態様１０） 実施態様１〜７のいずれか１項に記載の電流センサを備えた電流検知ユニットであって、前記磁気検出素子を実装する回路基板が、前記平行電流線部の方向に沿って平行に配置され、前記平行電流線部の並び方向における前記回路基板上に前記磁気検出素子が実装され、前記回路基板には高周波電流を流した前記磁気検出素子の磁性体両端のインピーダンス変化を検出する回路が搭載されていることを特徴とする電流検知ユニット。
【００４８】
（実施態様１１） 実施態様１〜７のいずれか１項に記載の電流センサを備えた電流検知ユニットであって、前記磁気検出素子と接続する回路基板が、前記平行電流線部の方向に沿って平行に配置され、前記平行電流線部の並び方向における前記回路基板上に前記磁気検出素子が実装され、前記回路基板には高周波電流を流した磁性体に近接して配置されたコイルの電圧変化を検出する回路が搭載されていることを特徴とする電流検知ユニット。
【００４９】
（実施態様１２） 前記電流センサ、回路基板を囲むように磁気シールド部材を設けたことを特徴とする実施態様８乃至１１のいずれか１項に記載の電流検知ユニット。
【００５０】
（実施態様１３） 前記磁気シールド部材内における前記平行電流線部の間隔と、前記磁気シールド部材から突出した前記平行電流線部の間隔は異なることを特徴とする実施態様１２に記載の電流検知ユニット。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、大電流に対してもサイズが大きくならない電流センサを高感度の磁気検出素子を用いて構成でき、高感度で小型の電流センサを実現することができる。また、磁気検出素子と電流線が非接触であるため、電気回路的な相互影響がなく、検知対象となる電流信号に挿入インピーダンスの影響やその他干渉の影響は皆無である。
【００５２】
また、大きな磁束の発生がないため、大きな磁気シールドを必要とせず、従来のように磁気シールドに対して磁気飽和等の条件を考慮する必要がない、従来のホール素子のように磁気コアを用いないためコア材のヒステリシス損による発熱の心配が無い等の効果が得られる。
【００５３】
更に、回路基板に磁気検出素子を実装し、磁気検出素子の近傍に設けられた貫通穴又は切り欠きへ往復する電流平行線部を通したり、或いは磁気検出素子が実装された基板を電流線に対して平行になるような構造とすることにより、生産性の高い電流検知ユニットを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電流センサの一実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１の平面図である。
【図３】図１の電流センサを用いた電流検知ユニットの一実施形態を示す斜視図である。
【図４】本発明の評価実験に用いた電流センサを示す斜視図である。
【図５】本発明の評価実験に用いた駆動回路を示す回路図である。
【図６】本発明の評価実験結果の電流検知特性を示す図である。
【図７】駆動回路の他の例を示す回路図である。
【図８】電流検知ユニットの他の実施形態を示す斜視図である。
【図９】従来例のホール素子を用いた電流センサを示す斜視図である。
【符号の説明】
１０ 磁気検出素子
１２ 非磁性基板
１４ 磁性体（磁性薄膜）
１６ａ１６ｂ 電極
２０ 電流線
２０ａ、２０ｂ 電流線平行部
２２、２４ 円周磁界
２６ 磁気シールド
３０ 回路基板
３２ 電流線
３２ａ、３２ｂ 電流線平行部
３４ ベース部材
３６ 磁気シールド部材
３７ 駆動回路ＩＣ
３８ 電流線の中心軸
４０ 非磁性基板
４２ ＭＩ素子
４４ 渦巻コイル
４６ａ、４６ｂ 電極
５０ パルス発振器
５２ バッファ
５４ 電流調整用抵抗器
５６ｐ、５６ｍ 検波回路
５８ｐ、５８ｍ 抵抗器
６０ 増幅器
６２ パルス発振器
６４ バッファ
６６ 電流調整用抵抗器
６８ 検波回路
７０ 増幅器
Claims (4)
- 検出対象である平行に配置された２つの電流線部に逆方向に流れる電流を、前記２つの電流線部から発生する磁界を検出することによって計測する電流センサであって、
前記平行電流線部の軸を結ぶ延長線上に配置されており、かつ磁性体に直接高周波電流を流し、外部磁界を加えることにより前記磁生体の透磁率が変化する磁気検出素子と、
前記平行電流線部及び前記磁気検出素子を囲むための磁気シールドと、
前記平行電流線部から発生される磁界の差分値に基づいて前記平行電流線部に流れる電流量を検出する検出手段とを有し、
前記平行電流線部の間隔ｄは、前記磁気検出素子に近い側の電流線部と前記磁気検出素子との距離ｓ以下であり、前記平行電流線部と前記磁気シールドの内壁面との距離は前記磁気検出素子に遠い側の電流線部からｄ＋ｓ以上はなれていることを特徴とする電流センサ。 - 前記２つの電流線部において、互いの端部が結合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。
- 前記電流線部の断面は、前記磁気検出素子の磁界検知方向に沿って細長い矩形形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電流センサ。
- 磁界検知方向における前記断面の長さは、前記磁性体の長さ以上であることを特徴とする請求項３に記載の電流センサ。
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