JP4816952B2 - Current sensor - Google Patents
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Description
本発明は、工作機械や、ハイブリッドカー、EV車等に使用される、電流を非接触で高精度で計測する「磁気平衡式電流センサ」に係り、特にスピンバルブ巨大磁気抵抗素子(Spin-valve-gaint magnetoresistance)(以下、SV−GMR素子という)を使用して、交流だけでなく、直流を精度良く計測可能な電流センサに関する。 The present invention relates to a “magnetic balance type current sensor” used for machine tools, hybrid cars, EV cars, and the like for measuring current with high accuracy in a non-contact manner, and in particular, a spin valve giant magnetoresistive element (Spin-valve). The present invention relates to a current sensor that can accurately measure not only alternating current but also direct current by using -gaint magnetoresistance (hereinafter referred to as SV-GMR element).
近年、とくにハイブリッドカー用に直流大電流(例:数百アンペア)を非接触で精度良く測定可能な電流センサが求められている。その背景としては、例えばハイブリッドカーの高圧バッテリー(例:200〜400V)電流モニタ用として、(1)高圧系統と低圧系統の絶縁が必要なため非接触方式であること、(2)バッテリー電流は基本的に直流であるため直流測定可能なこと、(3)バッテリーの充電電流と放電電流を、温度変動に対しても高精度に測定できること(バッテリーECUにおいては、積算するため、精度が悪いと積算誤差が累積し、バッテリーの過放電、過充電が発生し、バッテリー寿命が短くなるため)、が要求されているからである。 In recent years, there has been a demand for a current sensor capable of accurately measuring a large DC current (eg, several hundred amperes) in a non-contact manner, particularly for a hybrid car. As the background, for example, for high voltage battery (eg 200-400V) current monitoring of hybrid cars, (1) it is a non-contact type because it requires insulation of high voltage system and low voltage system, (2) battery current is Since it is basically direct current, direct current measurement is possible. (3) Battery charge current and discharge current can be measured with high accuracy against temperature fluctuations. This is because accumulation errors accumulate, battery overdischarge and overcharge occur, and the battery life is shortened).
従来の電流センサに使用する磁気検知素子としては、実際の市場では「ホール素子」が大多数を占め、その他に、最近では磁気抵抗素子「MR素子」を用いたものがある。
MR素子としては、半導体における電流効果を利用したもの(例:In−Sb)と、パーマロイ等の金属を流れる電流と磁界の方向により抵抗が変化する「AMR素子」
(Anisotropy magnetoresistance)がある。
As a magnetic sensing element used in a conventional current sensor, the “Hall element” occupies the majority in the actual market, and recently, there is an element using a magnetoresistive element “MR element”.
MR elements that use the current effect in semiconductors (eg, In-Sb) and "AMR elements" whose resistance varies depending on the current flowing through the metal such as permalloy and the direction of the magnetic field
(Anisotropy magnetoresistance).
また、近年研究が進んでいる「GMR素子」には、「多層膜GMR素子」(例:20層の多層)と、「SV−GMR素子」とがある。多層膜GMR素子は抵抗変化に比較的大きな磁界が必要である。そこで、低磁界でも大きな磁気−抵抗変化が得られるようにするため、ピン層(磁化が拘束されている)とフリー層(外部の低磁界にも敏感に反応する強磁性膜)とで、数nm厚さの非磁性層(Cu)をサンドイッチ状に挟んだ構造の前記SV−GMR素子が開発され、ハードディスクドライブ(HDD)の磁気ヘッドに採用されている。 In addition, “GMR elements” that have been researched in recent years include “multilayer GMR elements” (eg, 20-layer multilayer) and “SV-GMR elements”. A multilayer GMR element requires a relatively large magnetic field for resistance change. Therefore, in order to obtain a large magneto-resistance change even in a low magnetic field, the pinned layer (magnetization is constrained) and the free layer (ferromagnetic film sensitively reacting to an external low magnetic field) The SV-GMR element having a structure in which a non-magnetic layer (Cu) having a thickness of nm is sandwiched is developed and employed in a magnetic head of a hard disk drive (HDD).
GMR素子を使用して電流センサを構成した従来例を以下に示す。 A conventional example in which a current sensor is configured using a GMR element will be described below.
特許文献1は、磁気ヨークにギャップを設けてGMR素子を挿入し、前記磁気ヨークに交流磁界印加用のコイルを設け、GMR素子出力からは被測定磁界の絶対値しか得られないところを、前記交流磁界に対応したGMR素子からの出力成分をバンドパスフィルタ(BPF)を通して抽出し、前記コイルからの交流成分との位相を比較することにより、被測定電流の方向の判別を可能としたものである。
In
この特許文献1では、被測定磁界の絶対値信号を得る手段として、被測定電流によりギャップに発生する磁界を、GMR素子により、磁気変化→抵抗値変化に変換して、増幅器、交流成分除去用のローパスフィルタ(LPF)を通して、被測定磁界(被測定電流)の絶対値信号として出力するわけであるが、ここで以下に述べる問題がある。
In this
特許文献1の図2に「GMR素子の磁界−抵抗変化特性」を示してあるが、この特性は温度変化により、抵抗値が大幅に変化する。車載用として要求される動作温度範囲は、例えば25℃±55℃であるが、そのときGMR素子の抵抗値は同じ印加磁界に対して±10%と大幅に変化する。特許文献1では、その図1における増幅器、ローパスフィルタを通して「被測定磁界の絶対値信号出力」としているため、温度変化に対する電流センサ出力の誤差が非常に大きく、高精度を要求されるハイブリッドカーのバッテリー電流モニタには不向きである。
FIG. 2 of
本発明は、上記の点に鑑み、被測定電流の方向が判別できるとともに、被測定電流の計測精度が温度により殆ど影響を受けない、高精度な電流センサを提供することを第1の目的とする。 In view of the above points, the first object of the present invention is to provide a highly accurate current sensor in which the direction of the current to be measured can be determined and the measurement accuracy of the current to be measured is hardly affected by temperature. To do.
また、本発明は、高感度な(低磁界でも大きな抵抗値変化が得られる)SV−GMR素子を用いて、比較的簡単な回路構成で温度特性の良好な電流センサを提供することを第2の目的とする。 The second aspect of the present invention is to provide a current sensor having a good temperature characteristic with a relatively simple circuit configuration, using a highly sensitive SV-GMR element (a large resistance change can be obtained even in a low magnetic field). The purpose.
さらに、本発明は、SV−GMR素子の欠点である外部磁界に対するヒステリシスを低減可能で、ヒステリシスに起因する測定精度低下を防止できる電流センサを提供することを第3の目的とする。 Furthermore, a third object of the present invention is to provide a current sensor that can reduce the hysteresis with respect to an external magnetic field, which is a drawback of the SV-GMR element, and can prevent a decrease in measurement accuracy due to the hysteresis.
本発明のその他の目的や新規な特徴は後述の実施の形態において明らかにする。 Other objects and novel features of the present invention will be clarified in embodiments described later.
上記目的を達成するために、本発明のある態様の電流センサは、
被測定電流による磁束が発生する磁心と、
前記磁心のギャップ内に配置されるSV−GMR素子と、
前記磁心に施された励磁巻線及びフィードバック巻線と、
前記SV−GMR素子に直流バイアスを印加するとともに、前記SV−GMR素子の抵抗変化を電圧変化として取り出す直流バイアス回路と、
前記励磁巻線に交流電圧を印加する交流バイアス手段と、
前記直流バイアス回路における前記電圧変化から直流分を除去する直流除去回路と、
前記直流除去回路の交流出力電圧を一定レベルと比較して方形波電圧に波形整形する比較器と、
前記比較器の出力である方形波電圧を平均値の直流電圧に変換するフィルタ回路と、
前記フィルタ回路の検出出力電圧と基準電圧との差がゼロになるように前記フィードバック巻線にフィードバック電流を流す磁気平衡用増幅器とを備え、
前記基準電圧は、前記被測定電流がゼロのときに前記フィードバック電流がゼロとなる電圧値に設定されており、
前記磁気平衡用増幅器は、前記フィードバック電流による前記ギャップ内の磁束で被測定電流による前記ギャップ内の磁束が相殺された磁気平衡状態に制御することを特徴としている。
In order to achieve the above object, a current sensor according to an aspect of the present invention includes:
A magnetic core that generates magnetic flux due to the current to be measured;
An SV-GMR element disposed in the gap of the magnetic core;
An excitation winding and a feedback winding applied to the magnetic core;
A DC bias circuit for applying a DC bias to the SV-GMR element and taking out a resistance change of the SV-GMR element as a voltage change;
AC bias means for applying an AC voltage to the excitation winding;
A DC removal circuit for removing a DC component from the voltage change in the DC bias circuit;
A comparator for shaping the waveform into a square wave voltage by comparing the AC output voltage of the DC removal circuit with a constant level;
A filter circuit that converts a square wave voltage, which is an output of the comparator, into an average DC voltage;
A magnetic balance amplifier for causing a feedback current to flow in the feedback winding so that a difference between a detection output voltage of the filter circuit and a reference voltage becomes zero;
The reference voltage is set to a voltage value at which the feedback current becomes zero when the measured current is zero,
The magnetic balance amplifier controls the magnetic balance state in which the magnetic flux in the gap caused by the current to be measured is canceled by the magnetic flux in the gap caused by the feedback current .
前記電流センサにおいて、前記SV−GMR素子は磁気抵抗効果膜パターンとピン層磁化方向とが垂直であり、前記ギャップ内の磁束の向きと略平行な方向に前記ピン層磁化方向を配置し、前記ピン層磁化方向に略垂直な向きに磁気バイアスを印加してもよい。 In the current sensor, the SV-GMR element has a magnetoresistive film pattern and a pinned layer magnetization direction perpendicular to each other, and the pinned layer magnetization direction is arranged in a direction substantially parallel to the direction of the magnetic flux in the gap. A magnetic bias may be applied in a direction substantially perpendicular to the pinned layer magnetization direction.
本発明の別の態様の電流センサは、
被測定電流による磁束が発生する磁心と、
前記磁心のギャップ内に配置されるSV−GMR素子と、
前記磁心に施されたフィードバック巻線と、
前記SV−GMR素子の抵抗変化によって変化する検出電圧と基準電圧との差がゼロになるように前記フィードバック巻線にフィードバック電流を流す磁気平衡用増幅器とを備え、
前記基準電圧は、前記被測定電流がゼロのときに前記フィードバック電流がゼロとなる電圧値に設定されており、
前記磁気平衡用増幅器は、前記フィードバック電流による前記ギャップ内の磁束で被測定電流による前記ギャップ内の磁束が相殺された磁気平衡状態に制御するものであり、
前記SV−GMR素子は前記磁気抵抗効果膜パターンとピン層磁化方向とが垂直であり、前記磁心が発生する磁束の向きと略平行な方向に前記ピン層磁化方向を配置し、前記ピン層磁化方向に略垂直な向きに磁気バイアスを印加することを特徴としている。
A current sensor according to another aspect of the present invention includes:
A magnetic core that generates magnetic flux due to the current to be measured;
An SV-GMR element disposed in the gap of the magnetic core;
A feedback winding applied to the magnetic core;
A magnetic balance amplifier for causing a feedback current to flow in the feedback winding so that a difference between a detection voltage that changes due to a resistance change of the SV-GMR element and a reference voltage becomes zero;
The reference voltage is set to a voltage value at which the feedback current becomes zero when the measured current is zero,
The magnetic balance amplifier controls the magnetic balance state in which the magnetic flux in the gap caused by the current to be measured is canceled by the magnetic flux in the gap caused by the feedback current ,
In the SV-GMR element, the magnetoresistive film pattern and the pin layer magnetization direction are perpendicular to each other, the pin layer magnetization direction is arranged in a direction substantially parallel to the direction of the magnetic flux generated by the magnetic core, and the pin layer magnetization A magnetic bias is applied in a direction substantially perpendicular to the direction.
本発明によれば、SV−GMR素子を感磁素子として用いることで、被測定電流の方向を判別可能で、かつ高感度の電流センサを実現できる。 According to the present invention, by using an SV-GMR element as a magnetosensitive element, it is possible to determine a direction of a current to be measured and realize a highly sensitive current sensor.
また、被測定電流による磁束に、交流バイアスよる交流磁束を重畳してSV−GMR素子を作動させ、重畳磁界によるSV−GMR素子の抵抗変化に起因する交流信号を取り出す構成とすれば、SV−GMR素子の抵抗値自体は温度変化に伴い大きく変動するが、磁界に対する抵抗変化率は温度変化によっても殆ど変動しないことから、被測定電流の計測精度が温度により殆ど影響を受けない、高精度な電流センサとすることができる。 Further, if the SV-GMR element is operated by superimposing an AC magnetic flux by an AC bias on the magnetic flux due to the current to be measured, and an AC signal resulting from a resistance change of the SV-GMR element due to the superimposed magnetic field is extracted, the SV- Although the resistance value of the GMR element itself varies greatly with changes in temperature, the rate of change in resistance to a magnetic field hardly varies even with changes in temperature. Therefore, the measurement accuracy of the current to be measured is hardly affected by temperature and is highly accurate. It can be a current sensor.
さらに、SV−GMR素子を磁気抵抗効果膜パターンとピン層磁化方向とが垂直になるように構成し、かつ被測定電流によって発生する磁束の向きと実質的に同じ方向に前記ピン層磁化方向を配置し、前記ピン層磁化方向に実質的に垂直な向きに磁気バイアスを印加する構成とすれば、SV−GMR素子が有する外部磁界と抵抗との関係におけるヒステリシスを低減でき、ヒステリシスに起因する測定精度低下を少なくできる。 Further, the SV-GMR element is configured so that the magnetoresistive film pattern and the pin layer magnetization direction are perpendicular to each other, and the pin layer magnetization direction is set to be substantially the same as the direction of the magnetic flux generated by the current to be measured. If it is arranged and a magnetic bias is applied in a direction substantially perpendicular to the pinned layer magnetization direction, the hysteresis in the relationship between the external magnetic field and resistance of the SV-GMR element can be reduced, and measurement due to the hysteresis Decrease in accuracy can be reduced.
以下、本発明を実施するための最良の形態として、電流センサの実施の形態を図面に従って説明する。 Hereinafter, as the best mode for carrying out the present invention, an embodiment of a current sensor will be described with reference to the drawings.
図1は電流センサの回路構成であって、エアギャップ付き環状磁心(エアギャップ以外は閉磁路となった磁心)1には、1次側被測定電流Ipの流れる電流路としての電線L1(1ターンの1次側巻線)が貫通配置され、また磁心1にはフィードバック電流Isを流すためのフィードバック巻線L2が所定巻き数だけ巻回されるとともに、交流バイアスのための励磁巻線L3が巻回されている。励磁巻線L3に交流電圧(例:正弦波、三角波等)を印加するための交流バイアス手段として、例えば発振周波数10kHz程度の発振器5が励磁巻線L3に接続されている。なお、磁心1には高透磁率で残留磁気が少ない珪素鋼板、パーマロイコア等を使用する。
FIG. 1 shows a circuit configuration of a current sensor, and an annular magnetic core with an air gap (a magnetic core that is a closed magnetic circuit other than the air gap) 1 has an electric wire L1 (1 as a current path through which the primary side measured current Ip flows. The primary winding of the turn) is disposed through, and a feedback winding L2 for passing a feedback current Is is wound around the
磁心1に形成されたエアギャップGは、1次側被測定電流Ip及びフィードバック電流Isによる磁束と、励磁巻線L3の電流による磁束とが重畳して通過するようになっているが、図2のように、このエアギャップG中にSV−GMR素子10が配置(位置固定)されている。なお、本実施の形態では励磁巻線L3に交流電流を流すことにより、±2(mT)の交流磁界バイアスをSV−GMR素子10に印加している。
The air gap G formed in the
SV−GMR素子は、磁化方向が一方向に固定された強磁性体のピン層と、電流が主として流れる非磁性体を介して前記ピン層に積層された強磁性体のフリー層とからなる磁気抵抗効果膜を有し、ピン層は外部磁界(外部磁束)によって磁化方向は変化せず、フリー層の磁化方向は外部磁界(外部磁束)の方向に変化する。ここで、磁気抵抗効果膜におけるピン層の磁化方向とフリー層の磁化方向(つまり外部磁界の方向)とが平行であるが向きが逆のとき、つまり反平行のとき、抵抗変化率はプラスとなり、高抵抗状態となる。また、ピン層の磁化方向とフリー層の磁化方向(つまり外部磁界の方向)とが平行でかつ向きが同じとき、つまり順平行のとき、抵抗変化率はマイナスとなり、低抵抗状態となる。 The SV-GMR element includes a magnetic pinned layer whose magnetization direction is fixed in one direction, and a ferromagnetic free layer stacked on the pinned layer via a nonmagnetic material through which a current mainly flows. The pinned layer has a resistance effect film, the magnetization direction of the pinned layer is not changed by the external magnetic field (external magnetic flux), and the magnetization direction of the free layer is changed to the direction of the external magnetic field (external magnetic flux). Here, when the magnetization direction of the pinned layer and the magnetization direction of the free layer (that is, the direction of the external magnetic field) in the magnetoresistive effect film are parallel but opposite in direction, that is, antiparallel, the rate of change in resistance becomes positive. It becomes a high resistance state. When the magnetization direction of the pinned layer and the magnetization direction of the free layer (that is, the direction of the external magnetic field) are parallel and in the same direction, that is, in the forward parallel direction, the resistance change rate becomes negative and a low resistance state is obtained.
本実施の形態では、図2中の拡大図に示すように、SV−GMR素子10は磁気抵抗効果膜パターン11が形成された感磁面12を有し、磁気抵抗効果膜パターン11(感磁面12のミアンダパターンのうち長手方向直線部分が磁気抵抗効果膜となっている)の長手方向とピン層磁化方向とが感磁面12内において垂直になるように構成されている。
In the present embodiment, as shown in the enlarged view in FIG. 2, the SV-
また、永久磁石又は電磁石からなる磁気バイアス手段6が、SV−GMR素子10のピン層磁化方向に実質的に垂直な向き(但し感磁面12に平行な向き)の静磁界(直流バイアス磁界)を印加している。これはSV−GMR素子10のヒステリシスを低減するためである。なお、磁心1の端部が実際には近接しているため、上下方向の磁界成分も有することになるが、ヒステリシス低減作用には影響は無い。
Further, the magnetic bias means 6 made of a permanent magnet or an electromagnet has a static magnetic field (DC bias magnetic field) in a direction substantially perpendicular to the pinned layer magnetization direction of the SV-GMR element 10 (however, parallel to the magnetosensitive surface 12). Is applied. This is to reduce the hysteresis of the SV-
図3は磁気バイアス手段6が無い場合とある場合とを対比して示す、エアギャップG内の磁束密度とそこに挿入されているSV−GMR素子の抵抗値との関係である。 FIG. 3 shows the relationship between the magnetic flux density in the air gap G and the resistance value of the SV-GMR element inserted in the case where the magnetic bias means 6 is not present and in the case where it is not present.
図3(A)は磁気バイアス手段6が無い場合のヒステリシス特性であり、ヒステリシスが大きいことがわかる。ここで、+偏磁/−偏磁は、SV−GMR素子が飽和する±2(mT)に対し、十分大きな±100(mT)程度をSV−GMR素子に印加してから、それぞれのヒステリシス曲線を測定したことを意味している。 FIG. 3A shows the hysteresis characteristic when the magnetic bias means 6 is not provided, and it can be seen that the hysteresis is large. Here, + bias / -bias is applied to the SV-GMR element after a sufficiently large ± 100 (mT) is applied to the SV-GMR element with respect to ± 2 (mT) at which the SV-GMR element is saturated. Is measured.
図3(B)は磁気バイアス手段6を設けて、SV−GMR素子10のピン層磁化方向に実質的に垂直な向きのバイアス磁界(SV−GMR素子の位置において0.8(mT)程度)を印加した場合のヒステリシス特性であり、同図(A)に比較して明らかに小さくなり、改善されていることがわかる。 In FIG. 3B, a magnetic bias means 6 is provided, and a bias magnetic field in a direction substantially perpendicular to the pinned layer magnetization direction of the SV-GMR element 10 (about 0.8 (mT) at the position of the SV-GMR element). It can be seen that this is a hysteresis characteristic when the voltage is applied, which is clearly smaller and improved as compared with FIG.
図1の直流バイアス回路20は、SV−GMR素子10に直流バイアスを印加するとともに、SV−GMR素子10の抵抗変化を電圧変化として取り出すためのもので、抵抗R1とSV−GMR素子10の直列回路を有し、これが一定電圧(例えば直流5V)の直流電源Vccとグランド(GND)間に接続されている。グランドを基準とした抵抗R1とSV−GMR素子10の接続点の電圧が取り出されて交流バイパス回路(直流除去回路)30に供給される。
A
交流バイパス回路30は直流カット用コンデンサC1とシャント抵抗R2を有している。シャント抵抗R2の両端には、SV−GMR素子10の抵抗変化に起因する電圧変化のうち交流成分が現れる。
The AC bypass circuit 30 has a DC cut capacitor C1 and a shunt resistor R2. An AC component of the voltage change caused by the resistance change of the SV-
このシャント抵抗R2の両端の交流電圧は増幅回路40で適切な電圧値にまで増幅される。この増幅回路40は例えば演算増幅器41と抵抗R3,抵抗R4とからなる非反転増幅回路である。
The AC voltage across the shunt resistor R2 is amplified to an appropriate voltage value by the
比較回路(コンパレータ)50はグランドレベルを基準として、増幅回路40の出力電圧がグランドレベルよりも高いときに正の方形波(パルス波)を発生する波形整形機能を有するものであり、方形波信号出力をローパスフィルタ回路60に供給する。ローパスフィルタ回路60は抵抗R5と、この抵抗R5を通して充電されるコンデンサC2とからなる。
The comparison circuit (comparator) 50 has a waveform shaping function that generates a positive square wave (pulse wave) when the output voltage of the
磁気平衡用増幅回路70は差動増幅器であり、基準電圧Vrefとローパスフィルタ回路60の検出出力電圧(コンデンサC2の端子電圧)との差がゼロになるようにフィートバック電流Isをフィートバック巻線L3に流すものである。なお、フィードバック巻線L3に直列にセンサ出力電圧を取り出すための検出抵抗R6が挿入されている。 The magnetic balance amplifier circuit 70 is a differential amplifier, and the footback current Is is footback-wound so that the difference between the reference voltage Vref and the detected output voltage of the low-pass filter circuit 60 (terminal voltage of the capacitor C2) becomes zero. It flows to L3. A detection resistor R6 for taking out the sensor output voltage is inserted in series with the feedback winding L3.
次に、電流センサの全体的動作説明を行う。 Next, the overall operation of the current sensor will be described.
1次側被測定電流Ipがゼロの状態においては、発振器5の交流電圧が励磁巻線L3に印加される結果、励磁巻線L3に交流電流が流れ、これによる磁束がエアギャップ付き環状磁心1のエアギャップGに配置されたSV−GMR素子10に加わる。このとき、磁心1が発生する磁束の向きと実質的に平行な方向にSV−GMR素子10のピン層磁化方向が向いているため、前記磁束の周期的な変化によりSV−GMR素子10の抵抗値も周期的に変化する。これが直流バイアス回路20により電圧変化として取り出され、そして、交流バイパス回路30の直流カット用コンデンサC1で直流分が除去される結果、シャント抵抗R2の両端には交流電圧が得られ、これが増幅回路40で増幅され、比較回路50の入力側に図4(B)の交流電圧b1が出力される。
When the primary side measured current Ip is zero, the AC voltage of the oscillator 5 is applied to the excitation winding L3. As a result, an AC current flows through the excitation winding L3, and the resulting magnetic flux is an annular
比較回路50では交流電圧b1がグランド電位以上のときに論理レベルのハイ(High)に変換して波形整形し、図4(B)の方形波信号b2をローパスフィルタ回路60に出力し、ここで方形波信号b2を平均値化した検出直流信号b3が作成されて磁気平衡用増幅回路70の反転入力端に印加される。例えば、方形波信号の電圧5V、デューティー50%で2.5V、デューティー40%で2Vの直流信号がローパスフィルタ回路60で作成される。
In the comparison circuit 50, when the AC voltage b1 is equal to or higher than the ground potential, the waveform is shaped by converting it to logic level High, and the square wave signal b2 in FIG. 4B is output to the low-
1次側被測定電流Ipがゼロのときに、磁気平衡用増幅回路70によるフィードバック電流Isはゼロでなければならないから、このときフィードバック電流Isがゼロとなるように磁気平衡用増幅回路70の非反転入力端の基準電圧Vrefを設定する。つまり、基準電圧Vrefを直流信号b3の電圧値に一致させる。 When the primary-side measured current Ip is zero, the feedback current Is from the magnetic balance amplifier circuit 70 must be zero. At this time, the non-magnetic balance amplifier circuit 70 is set so that the feedback current Is is zero. Sets the reference voltage Vref of the inverting input terminal. That is, the reference voltage Vref is matched with the voltage value of the DC signal b3.
このような、基準電圧Vrefの設定操作後、実際の1次側被測定電流Ipを電線L1に流して電流測定が可能となる。 After such a setting operation of the reference voltage Vref, the actual measurement of the current Ip on the primary side can be made to flow through the electric wire L1 to measure the current.
1次側被測定電流Ip=0のときは、図3(B)の磁束密度が0の位置を動作点として励磁巻線L3の交流電流による交流磁束によりSV−GMR素子10の抵抗値は変化するが、1次側被測定電流Ipが流れると、被測定電流による磁束が前記交流磁束に重畳することになり、動作点が図3(B)の磁束密度=0の位置から+側又は−側にずれることになる。図3(B)の磁束密度とSV−GMR素子の抵抗との関係を示す曲線は傾きが変化しているため、動作点がずれると、SV−GMR素子10の抵抗変化により取り出される交流電圧波形(シャント抵抗R2の両端に得られる電圧波形)は変化する。
When the primary side measured current Ip = 0, the resistance value of the SV-
従って、ローパスフィルタ回路60の検出出力電圧と基準電圧Vrefとが不一致となり、磁気平衡用増幅回路70で非反転入力端に印加された基準電圧Vrefと反転入力端に印加されたローパスフィルタ回路60の検出出力電圧とが常に同電位となるようにフィードバック電流Isが磁気平衡用増幅回路70の出力端から流れ出て(又は出力端に流入して)、磁気平衡状態となる。この磁気平衡状態となっているときは、フィードバック電流Isによる磁束で1次側被測定電流Ipによる磁束が相殺されるため前記図4(B)の状態となる。
Therefore, the detection output voltage of the low-
1次側被測定電流Ipや磁心1に設ける巻線の例としては、次のようになる。
1次側被測定電流Ip=±200A
電線L1(1次側巻線)の巻数Np=1ターン
フィードバック電流(測定電流)Is(A)
フィードバック巻線L2(2次側巻線)の巻数Ns=4,000ターン
等アンペアターンの原理より、
Np×Ip=Ns×Is …(1)
が成立し、(1)式から被測定電流Ipは、
Ip=Ns×Is/Np …(2)
となる。フィードバック電流Isの測定値は、フィードバック巻線L2に直列に接続された検出抵抗R6の両端より被測定電流Ipに比例したセンサ出力電圧として取り出すことができる。
Examples of the primary side measured current Ip and the windings provided in the
Primary side measured current Ip = ± 200A
Number of turns of electric wire L1 (primary winding) Np = 1 turn Feedback current (measurement current) Is (A)
From the principle of ampere-turn such as Ns = 4,000 turns of feedback winding L2 (secondary winding),
Np × Ip = Ns × Is (1)
And the measured current Ip is
Ip = Ns × Is / Np (2)
It becomes. The measured value of the feedback current Is can be taken out as a sensor output voltage proportional to the measured current Ip from both ends of the detection resistor R6 connected in series with the feedback winding L2.
さて、仮に磁気平衡用増幅回路70が追従しないで、被測定電流に関して+1Aエラーしたとすると、図4(A)の交流電圧a1、方形波信号a2、直流信号a3のようになる。磁気平衡状態を示す図4(B)と比較して方形波信号a2のデューティーが大きくなり、直流信号a3は基準電圧Vref(=b3)よりも高くなる。磁気平衡用増幅回路70が正常に動作すれば、フィードバック電流Isを変化させて図4(B)の磁気平衡状態となるように制御することになる。 If the magnetic balance amplifier circuit 70 does not follow and an error of +1 A occurs with respect to the current to be measured, the AC voltage a1, the square wave signal a2, and the DC signal a3 in FIG. Compared with FIG. 4B showing the magnetic equilibrium state, the duty of the square wave signal a2 becomes larger, and the DC signal a3 becomes higher than the reference voltage Vref (= b3). If the magnetic balance amplifier circuit 70 operates normally, the feedback current Is is changed to control the magnetic balance state shown in FIG. 4B.
逆に、被測定電流に関して−1Aエラーしたとすると、図4(C)の交流電圧c1、方形波信号c2、直流信号c3のようになる。磁気平衡状態を示す図4(B)と比較して方形波信号c2のデューティーが小さくなり、直流信号c3は基準電圧Vrefよりも低くなる。磁気平衡用増幅回路70が正常に動作すれば、フィードバック電流Isを変化させて図4(B)の磁気平衡状態となるように制御することになる。 On the other hand, if a −1A error occurs with respect to the current to be measured, the AC voltage c1, the square wave signal c2, and the DC signal c3 in FIG. Compared with FIG. 4B showing the magnetic equilibrium state, the duty of the square wave signal c2 becomes smaller, and the DC signal c3 becomes lower than the reference voltage Vref. If the magnetic balance amplifier circuit 70 operates normally, the feedback current Is is changed to control the magnetic balance state shown in FIG. 4B.
図5は本実施の形態による「出力特性」を示す。被測定電流Ipが±200Aの直流大電流に対し、フィードバック電流(出力電流)Isは巻数比のみに依存し、電線L1(1次側巻線)の巻数Np=1ターン、フィードバック巻線L2(2次側巻線)の巻数Ns=4000ターンの測定条件で、Is(A)=Ip(A)/4,000が高精度で得られた。また、本特性は、オフセット変動(Ip=0A時のIs変動)が発生したときだけ出力特性が平行移動するだけで、リニアリティ(直線性)には全く影響がないという効果がある。 FIG. 5 shows “output characteristics” according to the present embodiment. The feedback current (output current) Is depends only on the turn ratio, while the measured current Ip is ± 200 A, and the feedback current (output current) Is depends only on the turn ratio, and the turn Np = 1 turn of the wire L1 (primary winding), the feedback winding L2 ( Under the measurement condition of the number of turns (secondary winding) Ns = 4000 turns, Is (A) = Ip (A) / 4,000 was obtained with high accuracy. In addition, this characteristic has an effect that the output characteristic only moves in parallel only when the offset fluctuation (Is fluctuation at Ip = 0A) occurs, and the linearity is not affected at all.
図6に「オフセット温度特性」の測定結果を示す。被測定電流Ip:±200Aのフルスケール(Full scale)に対し、最大誤差で−0.1Aであり、%誤差にして、0.1/200=0.05(%)となり、温度変化に対して高精度な特性が得られた。 FIG. 6 shows the measurement result of the “offset temperature characteristic”. Current to be measured Ip: With respect to the full scale of ± 200A, the maximum error is -0.1A, and the% error is 0.1 / 200 = 0.05 (%). And highly accurate characteristics were obtained.
図7に「SV−GMR素子ヒステリシス温度特性」を示す。+25℃を基準として、+80℃時には抵抗値R(Ω)が10%程度も増加し、逆に−30℃時には抵抗値Rは−10%程度となり、大きく減少している。本実施の形態では、ΔR/ΔBの傾きが温度にあまり依存せずに一定であることに注目し、図1の交流バイパス回路30の直流カット用コンデンサC1で交流成分のみを取り出すことで、つまりSV−GMR素子の抵抗値の変化分のみを取り出すことで、前記の温度による±10%もある直流的な抵抗値Rの温度依存性を除去するようにしている。 FIG. 7 shows “SV-GMR element hysteresis temperature characteristics”. With reference to + 25 ° C., the resistance value R (Ω) increases by about 10% at + 80 ° C., and conversely, the resistance value R becomes about −10% at −30 ° C., which is greatly reduced. In the present embodiment, attention is paid to the fact that the slope of ΔR / ΔB is constant without depending on the temperature, and only the AC component is extracted by the DC cut capacitor C1 of the AC bypass circuit 30 in FIG. By taking out only the change in the resistance value of the SV-GMR element, the temperature dependence of the DC resistance value R of ± 10% due to the temperature is removed.
この実施の形態によれば、次の通りの効果を得ることができる。 According to this embodiment, the following effects can be obtained.
(1) SV−GMR素子10を感磁素子として用いることで、被測定電流Ipの方向を判別可能で、かつ高感度の電流センサを実現できる。図5に示すように、出力特性は磁心1に設けられた電線L1(1次側巻線)と、フィードバック巻線L2(2次側巻線)との巻数比のみに依存し、図6のようにオフセット温度特性も良好で、温度変化に対して高精度な特性が得られる。
(1) By using the SV-
(2) 被測定電流Ipによる磁束に、交流バイアス手段としての発振器5による交流磁束を重畳してSV−GMR素子10を作動させ、重畳磁界によるSV−GMR素子10の抵抗変化に起因する交流信号を取り出している。SV−GMR素子の抵抗値自体は温度変化に伴い大きく変動するが、磁界に対する抵抗変化率は温度変化によっても殆ど変動しないことから、被測定電流Ipの計測精度がSV−GMR素子10の抵抗値の温度変化により殆ど影響を受けない、高精度な電流センサとすることができる。
(2) An AC signal caused by a change in resistance of the SV-
(3) SV−GMR素子10を磁気抵抗効果膜パターン(長手方向)とピン層磁化方向とが垂直になるように構成し、かつ被測定電流Ipによって発生する磁束の向きと実質的に平行な方向に前記ピン層磁化方向を配置し、永久磁石又は電磁石からなる磁気バイアス手段6によって前記ピン層磁化方向に実質的に垂直な向きに磁気バイアスを印加しており、外部磁界とSV−GMR素子の抵抗との関係におけるヒステリシスを低減でき、ヒステリシスに起因する測定精度低下を少なくできる。
(3) The SV-
なお、直流バイアス回路20において、SV−GMR素子10の抵抗値が変化すると直列抵抗R1の両端の電圧も変化するから、直列抵抗R1の両端の電圧変化を取り出して増幅回路40で増幅する構成も可能である。
In the
また、増幅回路40の入力インピーダンスが適切値であれば、交流バイパス回路30におけるシャント抵抗R2は省略可能である。
If the input impedance of the
また、SV−GMR素子10の抵抗変化による交流電圧が大きければ、増幅回路40は省略可能である。
If the AC voltage due to the resistance change of the SV-
以上本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当業者には自明であろう。 Although the embodiments of the present invention have been described above, it will be obvious to those skilled in the art that the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the claims.
1 エアギャップ付き環状磁心
5 発振器
6 磁気バイアス手段
10 SV−GMR素子
11 磁気抵抗効果膜パターン
12 感磁面
20 直流バイアス回路
30 交流バイパス回路
40 増幅回路
50 比較回路
60 ローパスフィルタ回路
70 磁気平衡用増幅回路
C1,C2 コンデンサ
L1 電線
L2 フィートバック巻線
L3 励磁巻線
R1〜R6 抵抗
Vref 基準電圧
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記磁心のギャップ内に配置されるスピンバルブ巨大磁気抵抗素子と、
前記磁心に施された励磁巻線及びフィードバック巻線と、
前記スピンバルブ巨大磁気抵抗素子に直流バイアスを印加するとともに、前記スピンバルブ巨大磁気抵抗素子の抵抗変化を電圧変化として取り出す直流バイアス回路と、
前記励磁巻線に交流電圧を印加する交流バイアス手段と、
前記直流バイアス回路における前記電圧変化から直流分を除去する直流除去回路と、
前記直流除去回路の交流出力電圧を一定レベルと比較して方形波電圧に波形整形する比較器と、
前記比較器の出力である方形波電圧を平均値の直流電圧に変換するフィルタ回路と、
前記フィルタ回路の検出出力電圧と基準電圧との差がゼロになるように前記フィードバック巻線にフィードバック電流を流す磁気平衡用増幅器とを備え、
前記基準電圧は、前記被測定電流がゼロのときに前記フィードバック電流がゼロとなる電圧値に設定されており、
前記磁気平衡用増幅器は、前記フィードバック電流による前記ギャップ内の磁束で被測定電流による前記ギャップ内の磁束が相殺された磁気平衡状態に制御することを特徴とする電流センサ。 A magnetic core that generates magnetic flux due to the current to be measured;
A spin valve giant magnetoresistive element disposed within the gap of the magnetic core;
An excitation winding and a feedback winding applied to the magnetic core;
A DC bias circuit for applying a DC bias to the spin valve giant magnetoresistive element and taking out a resistance change of the spin valve giant magnetoresistive element as a voltage change;
AC bias means for applying an AC voltage to the excitation winding;
A DC removal circuit for removing a DC component from the voltage change in the DC bias circuit;
A comparator for shaping the waveform into a square wave voltage by comparing the AC output voltage of the DC removal circuit with a constant level;
A filter circuit that converts a square wave voltage, which is an output of the comparator, into an average DC voltage;
A magnetic balance amplifier for causing a feedback current to flow in the feedback winding so that a difference between a detection output voltage of the filter circuit and a reference voltage becomes zero;
The reference voltage is set to a voltage value at which the feedback current becomes zero when the measured current is zero,
The magnetic balance amplifier controls the magnetic balance state in which the magnetic flux in the gap caused by the current to be measured is canceled by the magnetic flux in the gap caused by the feedback current .
前記磁心のギャップ内に配置されるスピンバルブ巨大磁気抵抗素子と、
前記磁心に施されたフィードバック巻線と、
前記スピンバルブ巨大磁気抵抗素子の抵抗変化によって変化する検出電圧と基準電圧との差がゼロになるように前記フィードバック巻線にフィードバック電流を流す磁気平衡用増幅器とを備え、
前記基準電圧は、前記被測定電流がゼロのときに前記フィードバック電流がゼロとなる電圧値に設定されており、
前記磁気平衡用増幅器は、前記フィードバック電流による前記ギャップ内の磁束で被測定電流による前記ギャップ内の磁束が相殺された磁気平衡状態に制御するものであり、
前記スピンバルブ巨大磁気抵抗素子は前記磁気抵抗効果膜パターンとピン層磁化方向とが垂直であり、前記磁心が発生する磁束の向きと略平行な方向に前記ピン層磁化方向を配置し、前記ピン層磁化方向に略垂直な向きに磁気バイアスを印加することを特徴とする電流センサ。 A magnetic core that generates magnetic flux due to the current to be measured;
A spin valve giant magnetoresistive element disposed within the gap of the magnetic core;
A feedback winding applied to the magnetic core;
A magnetic balance amplifier that feeds a feedback current to the feedback winding so that a difference between a detection voltage and a reference voltage that change due to a resistance change of the spin valve giant magnetoresistive element becomes zero;
The reference voltage is set to a voltage value at which the feedback current becomes zero when the measured current is zero,
The magnetic balance amplifier controls the magnetic balance state in which the magnetic flux in the gap caused by the current to be measured is canceled by the magnetic flux in the gap caused by the feedback current ,
In the spin valve giant magnetoresistive element, the magnetoresistive film pattern and the pin layer magnetization direction are perpendicular to each other, and the pin layer magnetization direction is arranged in a direction substantially parallel to the direction of the magnetic flux generated by the magnetic core. A current sensor, wherein a magnetic bias is applied in a direction substantially perpendicular to a layer magnetization direction.
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