JP4873709B2

JP4873709B2 - 電流センサ

Info

Publication number: JP4873709B2
Application number: JP2006302758A
Authority: JP
Inventors: 栄男小関
Original assignee: Kohden Co Ltd
Current assignee: Kohden Co Ltd
Priority date: 2006-11-08
Filing date: 2006-11-08
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2026-11-08
Also published as: JP2008122083A

Description

本発明は、導体に流れる電流を検出するための電流センサに関するものである。

従来、導体に流れる電流量を検出するための電流センサとして様々なものが提案されている。その１つとして、Ｃ型のコアを有する電流センサが存在する。図６に示すのは、従来のＣ型のコアを有する電流センサ１６を表した模式図である。この図６の電流センサ１６は、ギャップ１０を有するＣ型コア１１と、コアに巻かれたコイル１２と、Ｃ型コア１１のギャップ１０に設置されたホール素子１３と信号処理回路を有している。Ｃ型コア１１の内部に貫通させた導体１４に被測定電流が流れると、導体の周囲には被測定電流に比例して磁界１５が発生する。この磁界がＣ型コア１１により集磁されギャップ１０に磁束が生じる。この磁束に応じてホール素子が電気信号を出力する。信号処理回路は、この電気信号を基にコアに巻かれたコイル１２にギャップ１０に生じた磁束を消去する電流を流すことによって平衡状態を形成する。このとき、被測定電流とコイル１２に流す電流は比例するため、コイル１２に流す電流を測定することで導体１４を流れる電流変化を検出することが可能となる。しかしながら上記の構造の場合Ｃ型コア１１と、コアに巻かれたコイル１２が必要なため電流センサとして大型になってしまうという欠点と、コアとコイルによる周波数特性の低下という欠点を有している。

上記の欠点を解消するためには、感度が高い磁気抵抗素子を用いて導体の周囲に発生する磁界を直接検出する方法を採用した電流センサが好適である。図７に示すのは、コアレス化した電流センサ２１の構成を表した模式図である。この図７の電流センサ２１は、導体２０の周囲に発生する磁界１７を、直接、永久磁石１８を具備した磁気抵抗素子１９で検出することで電流を検出する構成となっている。このようなコアレス化した電流センサとして、例えば、特許文献１が既に提案されている。
特開平５−２２３８４８号公報

しかし、特許文献１に記載されているコアレス化した電流センサは、設置角度が傾くと感度が低下するという問題があった。図８に示すのは、コアレス化した電流センサ２１の設置角度と出力との関係を表したものである。図８（ａ−１）は、導体２０と永久磁石１８を具備した磁気抵抗素子１９の位置関係が正規の状態を表しており、導体２０からの電流による磁界（以下電流磁気ベクトル）１７に対して、永久磁石からの磁界（以下バイアス磁気ベクトル）２２は垂直の角度をなすため合成磁気ベクトル２３が形成される。この時の磁気抵抗素子１９ａ、１９ｂからの出力Ａ、磁気抵抗素子１９ｃ、１９ｄからの出力−Ａを、図８（ｂ）で示す。出力Ａと出力−Ａは同じ方向の合成磁気ベクトルを検出し電気的な差動関係であるため、出力Ａと出力−Ａはｘ軸の平行線に対して線対称となる。

これに対して、図８（ａ−２）のように正規の状態に比べて若干斜めに設置された時は、バイアス磁気ベクトル２２（点線）は、電流磁気ベクトル１７に対して垂直角９０°よりずれてしまう。図８（ｂ）でしめすように、傾いていない状態の磁気抵抗素子１９ａ、１９ｂからの出力Ａは、傾いたことにより出力Ａ’となり、出力−Ａ’は、出力Ａ’のｘ軸の平行線に対して線対称の出力波形となる。よって図８（ｃ）示すように、傾いたことにより差動後の出力電位は、プラス電流とマイナス電流とで電位に違いが生じるとともに感度が低下するという欠点を有している。また浮遊磁界に対しての対策も講じられていないため高性能な磁気抵抗素子を実用化できない。

本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、センサが若干斜めになっても導体からのプラス電流とマイナス電流のそれぞれにおける差動出力に電位の違いが生じず、かつ、感度が低下することのない電流センサを提供することを目的とするものである。

本発明の請求項１は、磁気抵抗素子を用いた検出部と永久磁石とによって導体を流れる電流から発生する磁界を検出してなる電流センサにおいて、前記永久磁石は、磁極面が前記検出部の磁気抵抗素子を配置する面と平行となるように配置し、前記検出部は、互いの延伸方向が９０°の角度もった２つの磁気抵抗素子を対とし、永久磁石の磁気ベクトルが逆方向に印加されるように永久磁石の磁極面の磁気的中心軸から対称となる２つの領域に１対ずつ計２対を配置し、かつ、前記２つの領域のそれぞれの中心を共に通り磁気的中心軸と直交する直線上の磁気ベクトルに対して全ての磁気抵抗素子の延伸方向が４５°の角度をなすように形成し、対となる２つの磁気抵抗素子を結線して出力をとり、異なる対の間で同一方向に延伸する磁気抵抗素子をそれぞれ結線して１組のフルブリッジの等価回路を構成したことを特徴とする電流センサである。

本発明の請求項２は、磁気抵抗素子を用いた検出部と永久磁石とによって導体を流れる電流から発生する磁界を検出してなる電流センサにおいて、前記永久磁石は、磁極面が前記検出部の磁気抵抗素子を配置する面と平行となるように配置し、前記検出部は、互いの延伸方向が９０°の角度もった２つの磁気抵抗素子を対とし、永久磁石の磁気ベクトルが逆方向に印加されるように永久磁石の磁極面の磁気的中心軸から対称となる２つの領域に１対ずつ計２対を配置し、かつ、前記２つの領域のそれぞれの中心を共に通り磁気的中心軸と直交する直線上の磁気ベクトルに対して全ての磁気抵抗素子の延伸方向が４５°の角度をなすように形成し、対となる２つの磁気抵抗素子を結線して出力をとり、異なる対の間で同一方向に延伸する磁気抵抗素子をそれぞれ結線して１組のフルブリッジの等価回路を構成し、さらに、同様のフルブリッジの等価回路を、永久磁石の磁極面の磁気的中心軸から略９０°回転させた位置に１組配置して、計２組のフルブリッジの等価回路を形成したことを特徴とする電流センサである。

本発明の請求項３は、請求項１又は２に加えて、導体を流れる電流によって発生する磁界が逆方向になる導体を挟んだ対称の位置に、前記検出部及び永久磁石を１つずつ配置したことを特徴とする電流センサである。

請求項１記載の発明によれば、検出部及び永久磁石が導体に対して傾いて配置されることによって、電流磁気ベクトルとバイアス磁気ベクトルとによって生じる合成磁気ベクトルの方向及び大きさが正常状態に比較して変化したとしても、フルブリッジの等価回路の２つの出力の差動出力は、若干の感度低下はあるものの、プラス電流とマイナス電流において電位の違いを生じない。

請求項２記載の発明によれば、２組のフルブリッジの等価回路を磁気的中心軸から略９０°回転させた位置に設けたので、一方のフルブリッジの等価回路からの出力Ａ、−Ａの差動出力と、他方のフルブリッジの等価回路からの出力Ｂ、−Ｂの差動出力との差をとることによって、互いの感度を補償することになり、検出部が０〜１８０°傾いても感度低下は起こらない。無論、プラス電流とマイナス電流において電位の違いも生じない。

請求項３記載の発明によれば、２つの検出部からの出力は逆となり、これら２つの出力の差によって、浮遊磁界対策を講じることが可能となる。

本発明による電流センサは、磁気抵抗素子を用いた検出部と永久磁石とによって導体を流れる電流から発生する磁界を検出してなる電流センサにおいて、前記永久磁石は、磁極面が前記検出部の磁気抵抗素子を配置する面と平行となるように配置し、前記検出部は、互いの延伸方向が９０°の角度もった２つの磁気抵抗素子を対とし、永久磁石の磁気ベクトルが逆方向に印加されるように永久磁石の磁極面の磁気的中心軸から対称となる位置に１対ずつ計２対を配置し、かつ全ての磁気抵抗素子の延伸方向が永久磁石の磁気ベクトルに対して４５°の角度をなすように配置し、２対の間で同一方向に延伸するエレメントを結線して１組のフルブリッジの等価回路を構成したことを特徴とするものである。以下、図面に基づいて説明を行う。

本発明の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。図１に示すのは、本発明の電流センサ２４の構成を表したものであり、（ａ）は、本発明の電流センサの斜視図、（ｂ）は、磁気抵抗素子を配置してなる検出部を表した正面図、（ｃ）は、永久磁石２６から放射状に発せられるバイアス磁気ベクトルの様子を表した模式図、（ｄ）は、検出部２５と導体２７及び電流磁気ベクトル２８との位置関係を示した図である。

図１（ａ）に示すように、本発明の電流センサ２４は、非検出電流が流れる導体２７に対して永久磁石２６を下面に具備した検出部２５を配置して、導体２７に流れる電流によって発生する磁界（以下、電流磁気ベクトル）２８を検出する構成となっている。

本発明の電流センサ２４においては、図１（ｂ）及び（ｃ）に示すように、検出部２５における第一磁気抵抗素子２９ａと第二磁気抵抗素子２９ｂの対と、第三磁気抵抗素子２９ｃと第四磁気抵抗素子２９ｄの対に対して、バイアス磁気ベクトル３４が逆方向に印加されるように永久磁石２６の磁極面３０の磁気的中心軸３１から対称となる領域３２、３３にそれぞれの対を配置し、第一磁気抵抗素子２９ａと第二磁気抵抗素子２９ｂ及び第三磁気抵抗素子２９ｃと第四磁気抵抗素子２９ｄの延伸方向は互い90°の角度をなし、各磁気抵抗素子２９ａ〜ｄの延伸方向がバイアス磁気ベクトル３４に対して４５°の角度をなすように構成する。対間で同一方向の磁気抵抗素子を結線し４つの磁気抵抗素子をフルブリッジとすることで、電流磁気ベクトル２８の変化によって等価回路よりＡ、−Ａが出力される構造になっている。

図１（ｄ）は、図１（ａ）の導体断面方向からの図で、検出部２５と導体２７及び電流磁気ベクトル２８との位置関係を示した図である。この図１（ｄ）に示すように、電流磁気ベクトル２８は導体２７から同心円状に広がっており、この同心円の接線３５と略平行となり、かつ、その接点部分に検出部２５の中心がくるように電流センサ２４を配置する。この配置で電流磁気ベクトル２８が検出部２５の検出面に平行に印加され、磁気抵抗素子２９ａ〜ｄの抵抗値変化を促し出力感度が向上する。

次に、以上のような構成における本発明の動作について、図２を用いて説明する。図２（ａ−１）は、永久磁石２６の磁気的中心軸３１から対称となる領域３２、３３を結ぶ線が電流磁気ベクトル２８と垂直になるように検出部２５を配置した場合を表しており、この場合、図２（ａ−１）の右側図のように、電流磁気ベクトル２８とバイアス磁気ベクトル３４によって合成磁気ベクトル３６、３７が形成される。合成磁気ベクトル３６、３７は、被測定電流の大きさによってその角度が変化するものであり、そのため磁気抵抗素子２９ａ、２９ｂからの出力Ａ、及び、磁気抵抗素子２９ｃ、２９ｄからの出力−Ａは、図２（ｂ）で示すように変化するものとなる。また、出力Ａと出力−Ａは方向の違う合成磁気ベクトルを検出する磁気的な差動関係であるため、出力Ａと出力−Ａはｙ軸の平行線に対して線対称となる。

図２（ａ−２）は、図２（ａ−１）よりも検出部２５が若干斜めに設置された場合を表しており、バイアス磁気ベクトル３４は、電流磁気ベクトル２８に対して垂直角９０°よりずれてしまい、この場合、図２（ａ−２）の右側図に示すように、大きさの異なる合成磁気ベクトル３６、３７がそれぞれ領域３２、３３に形成される。このため、図２（ｂ）で示すように、傾いた場合の出力Ａ’と出力−Ａ’は、ｘ軸の平行線に対して非対称の出力波形となる。しかし、マイナス電流が流れて、電流磁気ベクトル２８が図２（ａ−２）の右側図と同じ大きさで反対方向に加わった場合には、合成磁気ベクトル３６、３７は、図２（ａ−２）の場合のものを磁気的中心軸３１で１８０°回転させたものとなる。即ち、同じ電流量であるならば、プラス電流が流れた場合の領域３２での合成磁気ベクトル３６とマイナス電流が流れた場合の領域３３での合成磁気ベクトル３７は大きさが同じで反対方向となり、プラス電流が流れた場合の領域３３での合成磁気ベクトル３７とマイナス電流が流れた場合の領域３２での合成磁気ベクトル３６は大きさが同じで反対方向となる。このため、図２（ｂ）で示すように、傾いた場合の出力Ａ’と出力−Ａ’は、ｙ軸の平行線に対して線対称の出力波形となる。よって図２（ｃ）示すように、傾いたことによる差動後の出力は、若干の感度低下はあるもののプラス電流とマイナス電流において電位の違いを生じない。これは、磁極面３０の磁気的中心軸３１を検出部２５の中心に配置し、かつ、磁気抵抗素子２９ａ〜２９ｄを直線上に配置したことによるものであり、本発明の独自の特徴である。

図３に示すのは、本発明の電流センサの他の構成を表したものであり、実施例１の形態である４つの磁気抵抗素子からなる１組のフルブリッジ構成に、同じ構成の４つの磁気抵抗素子からなる第２の組のフルブリッジ構成を加えた形態である。
図３（ａ）は、永久磁石２６を示すものであり、磁極面３０（ここではＮ極とする）側で発せられる磁気ベクトルは、実施例１と同様、Ｎ磁面の磁気的中心３１から方向が違う磁気ベクトル３４が放射状に発生している。磁気的中心３１より対称となる２つの領域３２、３３には、実施例１に示す４つの磁気抵抗素子からなるフルブリッジが構成され、領域３２と３３とを結ぶ線に対して垂直となる直線上に同様な領域３８、３９を設け、この領域３８、３９にもう１組の４つの磁気抵抗素子からなるフルブリッジを構成する。このもう１組のフルブリッジの構成を図３（ｂ）に示す。図３（ｂ）に示すように、領域３８、３９に設けられた４つの磁気抵抗素子４０ａ〜４０ｄは、領域３２、３３に設けられた４つの磁気抵抗素子を中心点で９０°回転させた位置に配置され、これらの４つの磁気抵抗素子４０ａ〜４０ｄで構成されたフルブリッジからは、出力Ｂ及び出力−Ｂが得られる。

以上の構成における動作について説明する。先ず、永久磁石２６の磁気的中心軸３１から対称となる領域３２と３３を結ぶ線と電流磁気ベクトル２８とが垂直になるように検出部２５が配置された場合、領域３２と３３での合成磁気ベクトルは、被測定電流の大きさによってその角度が変化し、出力Ａ，−Ａの差動出力は図３（ｃ）のようになる。しかし、このときの領域３８と３９でのバイアス磁気ベクトルは、電流磁気ベクトル２８と平行なため、被測定電流の大きさによって領域３８と３９での合成磁気ベクトルの角度は変化しない。よって、領域３８と３９での磁気抵抗素子からの出力Ｂ、−Ｂの差動出力は感度を持たない出力となる。

次に、検出部２５が若干斜めに設置された時、出力Ａは出力Ａ’となり出力−Ａは出力−Ａ’となり差動出力の感度は低下する。しかしながら領域３８と３９でのバイアス磁気ベクトルは電流磁気ベクトル２８と平行でなくなるため、被測定電流の大きさによって領域３８と３９での合成磁気ベクトルに角度が生じ、磁気抵抗素子４０ａ〜４０ｄからの出力Ｂ’、−Ｂ’の差動出力は感度を持つようになる。出力Ａ、−Ａの差動出力と出力Ｂ、−Ｂの差動出力の差をとることによって、互いの感度を補償することになり、検出部が０〜１８０°傾いても感度低下は起こらない。無論、実施例１と同様に、プラス電流とマイナス電流において電位の違いも生じない。

前記実施例１及び２においては、図１（ｄ）のように、導体２７に対して検出部２５と永久磁石２６とを１組配置した電流センサ２４として構成したが、この実施例３においては、図４に示すように、これらの電流センサ２４を２組配置する。

このとき、電流磁気ベクトル２８は導体２７から同心円状に広がっているが、この同心円上の接線３５ａと略平行になるように検出部２５ａと永久磁石２６ａとからなる電流センサを配置し、電流磁気ベクトル２８が逆方向になる導体２７を挟んだ対称の位置で、同心円上の接線３５ｂと略平行になるように検出部２５ｂと永久磁石２６ｂとからなる電流センサ２４ｂを配置する。この場合、接線３５ａと接線３５ｂは略平行となる。

このような配置とすることで、２つの電流センサ２４ａ、２４ｂの出力は逆となり、これら２つの出力の差によって、浮遊磁界対策を講じることが可能となる。なお、２つの電流センサ２４ａ、２４ｂは、実施例１の構成であっても実施例２の構成であってもよく、同様に浮遊磁界対策の効果を得ることができる。

前記実施例においては、フルブリッジを構成する磁気抵抗素子は、図５（ａ）に示すように、永久磁石２６の磁極面３０の磁気的中心軸３１から対称となる領域３２、３３にそれぞれ２つずつ配置し、全体として１本の直線上に重なるように配置していた。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、図５（ｂ）に示すように、磁気的中心軸３１から対称となる領域３２、３３内にそれぞれ２つずつ配置する場合に、領域内でバイアス磁気ベクトルに対して横並びに配置するようにしてもよい。このような構成としても、同様の効果をえることができる。
また、磁気抵抗素子の本数も４つに限定されるものではなく、フルブリッジを構成することが可能であればよい。永久磁石及び検出部についても角型に限定されるものではなく、円形であってもよい。

（ａ）は、本発明の電流センサの斜視図、（ｂ）は、磁気抵抗素子を配置してなる検出部を表した正面図、（ｃ）は、永久磁石２６から発せられるバイアス磁気ベクトルの様子を表した模式図、（ｄ）は、検出部２５と導体２７及び電流磁気ベクトル２８との位置関係を示した図である。（ａ−１）及び（ａ−２）は、図１の電流センサ２４において、電流磁気ベクトル２８に対してバイアス磁気ベクトル３４が垂直な場合と傾いた場合の合成磁気ベクトル３６、３７をそれぞれ表した模式図であり、（ｂ）は、それぞれの場合における電流センサ２４の出力を表したグラフであり、（ｃ）は、それぞれの場合における差動出力を表したグラフである。本発明の実施例２を表したものであり、（ａ）は、永久磁石から発せられるバイアス磁気ベクトルを表した模式図であり、（ｂ）は、実施例２における検出部２５の構成を表した正面図であり、（ｃ）は、２組のフルブリッジからのそれぞれの差動出力を表したグラフである。本発明の実施例３を表した模式図である。検出部２５の他の構成例を表した正面図である。Ｃ型コアを有する従来の電流センサの構成を表した斜視図である。磁気抵抗素子を用いた従来の電流センサの構成を表した斜視図である。図７に示す従来の電流センサの動作を説明したものであり、（ａ−１）及び（ａ−２）は、電流磁気ベクトル１７とバイアス磁気ベクトル２２で合成される合成磁気ベクトル２３の様子を表した模式図、（ｂ）は、電流センサ２１の出力を表したグラフ、（ｃ）は、電流センサ２１の差動出力を表したグラフである。

符号の説明

１０…ギャップ、１１…Ｃ型コア、１２…コアに巻かれたコイル、１３…ホール素子、１４…導体、１５…磁界、１６…電流センサ、１７…磁界（電流磁気ベクトル）、１８…永久磁石、１９ａ〜１９ｄ…磁気抵抗素子、２０…導体、２１…電流センサ、２２…永久磁石からの磁界（バイアス磁気ベクトル）、２３…合成磁気ベクトル、２４…電流センサ、２５…検出部、２６…永久磁石、２７…導体、２８…電流磁気ベクトル、２９ａ〜２９ｄ…磁気抵抗素子、３０…磁極面、３１…磁気的中心軸、３２…領域、３３…領域、３４…バイアス磁気ベクトル、３５…（同心円状に発生した電流磁気ベクトルの）接線、３６…合成磁気ベクトル、３７…合成磁気ベクトル、３８…領域、３９…領域、４０ａ〜４０ｄ…磁気抵抗素子。

Claims

磁気抵抗素子を用いた検出部と永久磁石とによって導体を流れる電流から発生する磁界を検出してなる電流センサにおいて、前記永久磁石は、磁極面が前記検出部の磁気抵抗素子を配置する面と平行となるように配置し、前記検出部は、互いの延伸方向が９０°の角度もった２つの磁気抵抗素子を対とし、永久磁石の磁気ベクトルが逆方向に印加されるように永久磁石の磁極面の磁気的中心軸から対称となる２つの領域に１対ずつ計２対を配置し、かつ、前記２つの領域のそれぞれの中心を共に通り磁気的中心軸と直交する直線上の磁気ベクトルに対して全ての磁気抵抗素子の延伸方向が４５°の角度をなすように形成し、対となる２つの磁気抵抗素子を結線して出力をとり、異なる対の間で同一方向に延伸する磁気抵抗素子をそれぞれ結線して１組のフルブリッジの等価回路を構成したことを特徴とする電流センサ。
磁気抵抗素子を用いた検出部と永久磁石とによって導体を流れる電流から発生する磁界を検出してなる電流センサにおいて、前記永久磁石は、磁極面が前記検出部の磁気抵抗素子を配置する面と平行となるように配置し、前記検出部は、互いの延伸方向が９０°の角度もった２つの磁気抵抗素子を対とし、永久磁石の磁気ベクトルが逆方向に印加されるように永久磁石の磁極面の磁気的中心軸から対称となる２つの領域に１対ずつ計２対を配置し、かつ、前記２つの領域のそれぞれの中心を共に通り磁気的中心軸と直交する直線上の磁気ベクトルに対して全ての磁気抵抗素子の延伸方向が４５°の角度をなすように形成し、対となる２つの磁気抵抗素子を結線して出力をとり、異なる対の間で同一方向に延伸する磁気抵抗素子をそれぞれ結線して１組のフルブリッジの等価回路を構成し、さらに、同様のフルブリッジの等価回路を、永久磁石の磁極面の磁気的中心軸から略９０°回転させた位置に１組配置して、計２組のフルブリッジの等価回路を形成したことを特徴とする電流センサ。
導体を流れる電流によって発生する磁界が逆方向になる導体を挟んだ対称の位置に、前記検出部及び永久磁石を１つずつ配置したことを特徴とする請求項１又は２記載の電流センサ。