JP6226091B2 - Current sensor - Google Patents
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Description
本発明は、磁気センサ素子を用いた電流センサに関し、詳しくは、電線を流れる電流の大きさを非接触で検出でき、電流センサと電線との相対位置が変化した場合でも測定誤差を低減できる高感度な電流センサに関するものである。なお、本発明における電線は、バスバーなどの断面形状が円形以外のものも含むものとする。 The present invention relates to a current sensor using a magnetic sensor element. More specifically, the present invention can detect the magnitude of a current flowing through an electric wire in a non-contact manner and can reduce measurement errors even when the relative position between the current sensor and the electric wire changes. The present invention relates to a sensitive current sensor. In addition, the electric wire in this invention shall include things other than circular in cross-sectional shape, such as a bus bar.
電流センサの一種に、磁界の大きさを電気的抵抗の変化や起電力などの電気的信号に変換して出力する磁気センサ素子を用いたものがある。 One type of current sensor uses a magnetic sensor element that converts the magnitude of a magnetic field into an electrical signal such as a change in electrical resistance or an electromotive force and outputs the electrical signal.
電線を流れる電流の大きさを非接触で検出する場合、電線の中心と電流センサとの相対的な位置がずれると、測定誤差が生じるという問題がある。 When the magnitude of the current flowing through the electric wire is detected in a non-contact manner, there is a problem that a measurement error occurs if the relative position between the center of the electric wire and the current sensor is shifted.
そこで、電流センサにおける位置ずれ誤差を低減する方法として、集磁コアあるいは複数の磁気センサ素子を用いることが提案されている。 Therefore, it has been proposed to use a magnetic flux collecting core or a plurality of magnetic sensor elements as a method of reducing the misalignment error in the current sensor.
なお、位置ずれ誤差とは、電流センサと被測定電流が流れる電線との相対的な位置がずれたときに生じる測定誤差のことである。 The positional deviation error is a measurement error that occurs when the relative position between the current sensor and the electric wire through which the current to be measured flows is shifted.
そして、集磁コアとは、高い透磁率を有する軟磁性金属で形成され、磁束を集める効果の高いものをいう。 The magnetic flux collecting core is formed of a soft magnetic metal having a high magnetic permeability and has a high effect of collecting magnetic flux.
図１７は、集磁コアを用いた従来の電流センサの一例を示す構成説明図である（特開２００２−３０３６４２号公報）。図１７において、集磁コア１を用いる場合、ホール素子２は集磁コア１に沿った磁束を測定するため、集磁コア１内で電線３の位置がずれた場合でも、測定する磁束量がほとんど変化せず、結果として測定誤差はほとんど生じない。 FIG. 17 is a configuration explanatory view showing an example of a conventional current sensor using a magnetic collecting core (Japanese Patent Laid-Open No. 2002-303642). In FIG. 17, when the magnetic flux collecting core 1 is used, the Hall element 2 measures the magnetic flux along the magnetic flux collecting core 1, so that even when the position of the electric wire 3 is shifted in the magnetic flux collecting core 1, the amount of magnetic flux to be measured is Almost no change, resulting in little measurement error.
ところが、集磁コアを用いた場合には、振動による集磁コアのずれ、集磁コアの錆び、温度変化による集磁コアの特性劣化、集磁コアに起因するセンサの直線性やヒステリシス特性の悪化などにより測定精度が悪化するという問題や、集磁コアを磁気的に不飽和な状態で使用するために集磁コアのサイズを大きくする必要があることから結果としてセンサ自体のサイズが大きくなってしまうなどの問題がある。 However, when using a magnetic collecting core, the magnetic collecting core shifts due to vibration, the magnetic collecting core rusts, the characteristics of the magnetic collecting core deteriorates due to temperature changes, and the linearity and hysteresis characteristics of the sensor due to the magnetic collecting core. As a result, the measurement accuracy deteriorates due to deterioration, etc., and the size of the magnetic collecting core needs to be increased in order to use the magnetic collecting core in a magnetically unsaturated state, resulting in an increase in the size of the sensor itself. There are problems such as.
図１８は、電線の周囲に複数のホール素子が配置された従来の電流センサの一例を示す構成説明図である（特開２００７−１０７９７２号公報）。図１８において、複数のホール素子４は電線５を中心とした基板６の円周上に配置されていて、円周上で隣り合うホール素子同士は電気的に直列接続されている。 FIG. 18 is a configuration explanatory view showing an example of a conventional current sensor in which a plurality of Hall elements are arranged around an electric wire (Japanese Patent Laid-Open No. 2007-107972). In FIG. 18, the plurality of Hall elements 4 are arranged on the circumference of the substrate 6 with the electric wire 5 as the center, and the Hall elements adjacent on the circumference are electrically connected in series.
これにより、電線５と電流センサとの相対的な位置のずれにより各ホール素子４の出力は変化するが、これらの変化はホール素子４の出力の和に生じる変化を打ち消すものであり、電線５の位置がずれた場合でも全ホール素子４からの出力の和がほとんど変化することはなく、測定誤差はほとんど生じない。 As a result, the output of each Hall element 4 changes due to a relative positional shift between the electric wire 5 and the current sensor, but these changes cancel out the change that occurs in the sum of the outputs of the Hall element 4. Even when the positions of are shifted, the sum of the outputs from all the Hall elements 4 hardly changes, and a measurement error hardly occurs.
しかし、このような従来の構成によれば、ホール素子４の感度が比較的低いことから電流センサとしての感度も低いという問題があり、電流センサとしての感度を少しでも高くするために多くの素子を使用した場合には電流センサ全体のサイズが大きくなって部品点数やコストも増大するという問題がある。 However, according to such a conventional configuration, since the sensitivity of the Hall element 4 is relatively low, there is a problem that the sensitivity as a current sensor is low, and many elements are used to increase the sensitivity as a current sensor as much as possible. When the sensor is used, there is a problem that the size of the entire current sensor is increased and the number of parts and the cost are increased.
本発明は、これらの課題を解決するものであって、その目的は、低消費電力で高感度特性を有し、小型かつ簡素な構造で、位置ずれ誤差を低減できるとともに比較的安価な磁気センサ素子を用いた電流センサを実現することにある。 The present invention solves these problems, and its object is to provide a low-power consumption and high-sensitivity characteristic, a small and simple structure, which can reduce misalignment errors and is relatively inexpensive. It is to realize a current sensor using an element.
このような課題を達成するために、本発明は、
磁界の大きさを電気的信号に変換して出力する磁気センサ素子を用いた電流センサにおいて、
磁気特性曲線が線対称形の４つの磁気センサ素子により形成されたブリッジ回路と、
前記各磁気センサ素子に対してバイアス磁界を印加するバイアス磁界印加手段とで構成され、
前記磁気センサ素子は、被測定電流に対して直交する面内に配置されていることを特徴とする。
In order to achieve such problems, the present invention provides:
In a current sensor using a magnetic sensor element that converts the magnitude of a magnetic field into an electrical signal and outputs it,
A bridge circuit formed by four magnetic sensor elements whose magnetic characteristic curves are line symmetrical;
A bias magnetic field applying means for applying a bias magnetic field to each of the magnetic sensor elements,
The magnetic sensor element is arranged in a plane orthogonal to the current to be measured.
また、本発明は、上記に記載の電流センサにおいて、
前記磁気センサ素子は、磁界の印加に対して、
電気的抵抗が変化する磁気抵抗素子あるいは電気的インピーダンスが変化する磁気インピーダンス素子であることを特徴とする。
Moreover, the present invention provides the current sensor as described above,
The magnetic sensor element is adapted for application of a magnetic field.
It is a magnetoresistive element in which electrical resistance changes or a magnetoimpedance element in which electrical impedance changes.
また、本発明は、上記に記載の電流センサにおいて、
前記バイアス磁界印加手段は、少なくとも永久磁石を含むことを特徴とする。
Moreover, the present invention provides the current sensor as described above,
The bias magnetic field applying means includes at least a permanent magnet.
さらに、本発明は、上記に記載された電流センサにおいて、
前記磁気センサ素子は、非磁性体よりなるセンサ基板上に実装されていることを特徴とする。
Furthermore, the present invention provides a current sensor as described above,
The magnetic sensor element is mounted on a sensor substrate made of a non-magnetic material.
これらにより、低消費電力で高感度特性を有し、小型かつ簡素な構造で、位置ずれ誤差を低減できるとともに比較的安価な電流センサを実現できる。 Accordingly, it is possible to realize a current sensor that has low power consumption, high sensitivity characteristics, a small and simple structure, can reduce misalignment errors, and is relatively inexpensive.
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に基づく電流センサの一実施例を示す構成説明図である。図１において、基板７上には、図２に示すような線対称形の磁気特性曲線ＣＨを有する４つの磁気センサ素子８ａ〜８ｄが、所定の位置関係で取り付けられている。また、基板７には、被測定電流が流れる断面形状が円形の電線９を挿入するための切溝７ａが設けられている。なお、図１では、磁気センサ素子８ａ〜８ｄが実装されるセンサ基板１１は省略している。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory diagram showing a configuration of an embodiment of a current sensor according to the present invention. In FIG. 1, on a substrate 7, four magnetic sensor elements 8a to 8d having a line symmetrical magnetic characteristic curve CH as shown in FIG. 2 are attached in a predetermined positional relationship. Further, the substrate 7 is provided with a kerf 7a for inserting an electric wire 9 having a circular cross section through which a current to be measured flows. In FIG. 1, the sensor substrate 11 on which the magnetic sensor elements 8a to 8d are mounted is omitted.
基板７は、電線９に対し、基板７の平面が電線９を流れる被測定電流に対して垂直な面となるように設置されている。４つの磁気センサ素子８ａ〜８ｄは、電線９を中心にした破線で示す所定の半径を有する円Ａの円周上であって磁気センサ素子８ａ〜８ｄの最大感度を示す感磁方向がその円Ａの接線方向を向くとともに、円Ａに内接する正方形Ｂの各頂点に位置するように配置されている。 The substrate 7 is installed with respect to the electric wire 9 so that the plane of the substrate 7 is a surface perpendicular to the current to be measured flowing through the electric wire 9. The four magnetic sensor elements 8a to 8d are on the circumference of a circle A having a predetermined radius indicated by a broken line with the electric wire 9 at the center, and the magnetic sensing direction indicating the maximum sensitivity of the magnetic sensor elements 8a to 8d is the circle. It is arranged so as to face the tangential direction of A and to be positioned at each vertex of the square B inscribed in the circle A.
これら４つの磁気センサ素子８ａ〜８ｄには、それぞれ図３に示すようなバイアス磁界印加手段により、矢印Ｃａ〜Ｃｄの方向にバイアス磁界が印加される。円Ａの円周に沿って隣り合う磁気センサ素子８ａ〜８ｄ同士のバイアス磁界の向きは、その円Ａの円周に沿って互いに逆向きである。なお、円Ａは各磁気センサ素子８の感磁方向を示し、実線で示す円Ｄは電線９を流れる被測定電流による磁界の発生方向を示している。 A bias magnetic field is applied to these four magnetic sensor elements 8a to 8d in the directions of arrows Ca to Cd by bias magnetic field applying means as shown in FIG. The direction of the bias magnetic field between the magnetic sensor elements 8a to 8d adjacent to each other along the circumference of the circle A is opposite to each other along the circumference of the circle A. A circle A indicates the magnetic sensing direction of each magnetic sensor element 8, and a circle D indicated by a solid line indicates the generation direction of the magnetic field due to the current to be measured flowing through the electric wire 9.
図３は、図１の部分拡大図である。図３において、永久磁石１０は、その磁極方向が、磁気センサ素子８の感磁方向に対して平行になるように配置されている。永久磁石１０と磁気センサ素子８間の距離を非磁性体よりなるセンサ基板１１で適切に調節することで、磁気センサ素子８に最適な大きさのバイアス磁界を印加できる。なお、磁気センサ素子８の両端にはそれぞれ配線パッド１２、１３が取り付けられている。また、楕円Ｅは、永久磁石１０による磁束を示している。 FIG. 3 is a partially enlarged view of FIG. In FIG. 3, the permanent magnet 10 is arranged so that the magnetic pole direction thereof is parallel to the magnetic sensing direction of the magnetic sensor element 8. By appropriately adjusting the distance between the permanent magnet 10 and the magnetic sensor element 8 with the sensor substrate 11 made of a non-magnetic material, a bias magnetic field having an optimum magnitude can be applied to the magnetic sensor element 8. Note that wiring pads 12 and 13 are attached to both ends of the magnetic sensor element 8, respectively. An ellipse E indicates the magnetic flux generated by the permanent magnet 10.
図４はバイアス磁界の説明図であり、（Ａ）はバイアス磁界なしの場合を示し、（Ｂ）はバイアス磁界ありの場合を示している。バイアス磁界なしの場合の動作点が（Ａ）に示すように磁気特性曲線ＣＨの極大値にあるものとすると、（Ｂ）に示すようにバイアス磁界を印加することによって動作点を磁気特性曲線ＣＨ上の任意の点に移動させることができる。 4A and 4B are explanatory diagrams of the bias magnetic field. FIG. 4A shows the case without the bias magnetic field, and FIG. 4B shows the case with the bias magnetic field. If the operating point without the bias magnetic field is at the maximum value of the magnetic characteristic curve CH as shown in (A), the operating point is changed to the magnetic characteristic curve CH by applying a bias magnetic field as shown in (B). It can be moved to any point above.
図５は、本発明に基づく電流センサの回路例図である。図５において、図１の円Ａの円周に沿って隣り合う磁気センサ素子同士が電気的に接続され、ブリッジ回路が形成されている。 FIG. 5 is a circuit diagram of a current sensor according to the present invention. In FIG. 5, adjacent magnetic sensor elements along the circumference of the circle A in FIG. 1 are electrically connected to form a bridge circuit.
すなわち、磁気センサ素子８ａの一端は入力端子Ｔ１に接続されるとともに磁気センサ素子８ｂの一端に接続され、磁気センサ素子８ａの他端は出力端子Ｔ３に接続されるとともに磁気センサ素子８ｄの他端に接続され、磁気センサ素子８ｂの他端は出力端子Ｔ４に接続されるとともに磁気センサ素子８ｃの他端に接続され、磁気センサ素子８ｃの一端は入力端子Ｔ２に接続されるとともに磁気センサ素子８ｄの一端に接続されている。入力端子Ｔ２は共通電位点に接続されている。 That is, one end of the magnetic sensor element 8a is connected to the input terminal T1 and one end of the magnetic sensor element 8b, and the other end of the magnetic sensor element 8a is connected to the output terminal T3 and the other end of the magnetic sensor element 8d. The other end of the magnetic sensor element 8b is connected to the output terminal T4 and the other end of the magnetic sensor element 8c, and one end of the magnetic sensor element 8c is connected to the input terminal T2 and the magnetic sensor element 8d. It is connected to one end. The input terminal T2 is connected to a common potential point.
図５の回路構成により、出力端子Ｔ３には磁気センサ素子８ａと８ｄの接続点の中点電位Ｖ１が出力され、出力端子Ｔ４には磁気センサ素子８ｂと８ｃの接続点の中点電位Ｖ２が出力されることになる。 With the circuit configuration of FIG. 5, the midpoint potential V1 of the connection point of the magnetic sensor elements 8a and 8d is output to the output terminal T3, and the midpoint potential V2 of the connection point of the magnetic sensor elements 8b and 8c is output to the output terminal T4. Will be output.
図６は本発明に基づく電流センサの他の実施例を示す構成説明図であり、図１の実施例に位置ずれ誤差測定に用いた座標軸を追記したものである。 FIG. 6 is a structural explanatory view showing another embodiment of the current sensor according to the present invention, in which the coordinate axes used for the measurement of the misalignment error are added to the embodiment of FIG.
図７は位置ずれ誤差測定に用いた本発明に基づく電流センサの回路例図であり、図５と共通する部分には同一の符号を付けている。図７において、ブリッジ回路の出力端子Ｔ３は複数の演算増幅器から構成される計装アンプＡＭＰの非反転入力端子に接続され、出力端子Ｔ４は計装アンプＡＭＰの反転入力端子に接続されている。 FIG. 7 is a circuit diagram of a current sensor based on the present invention used for measuring the misalignment error, and the same reference numerals are given to portions common to FIG. In FIG. 7, an output terminal T3 of the bridge circuit is connected to a non-inverting input terminal of an instrumentation amplifier AMP composed of a plurality of operational amplifiers, and an output terminal T4 is connected to an inverting input terminal of the instrumentation amplifier AMP.
計装アンプＡＭＰの出力端子は装置全体の出力端子Ｔ５に接続され、入力端子Ｔ２は磁気センサ素子８ｃと８ｄの接続点および共通電位点に接続されるとともに装置全体の出力端子Ｔ６に接続されている。 The output terminal of the instrumentation amplifier AMP is connected to the output terminal T5 of the entire apparatus, and the input terminal T2 is connected to the connection point of the magnetic sensor elements 8c and 8d and the common potential point and to the output terminal T6 of the entire apparatus. Yes.
図６および図７の構成において、電線９に電流が流れると、４つの磁気センサ素子８ａ〜８ｄにはその電流の大きさとバイアス磁界方向に応じた磁気特性の変化が生じ、ブリッジ回路を構成する各磁気センサ素子８ａ〜８ｄにおける電圧降下の大きさが変化する。これらの電圧降下の大きさの変化に応じてブリッジ回路の各中点電位Ｖ１とＶ２は正負逆向きに変化し、各磁気センサ素子８ａ〜８ｄの特性がすべて等しいものとすると、ブリッジ回路の出力電圧は、１つの磁気センサ素子で測定した場合と比較して４倍になる。 6 and 7, when a current flows through the electric wire 9, the magnetic characteristics of the four magnetic sensor elements 8a to 8d change according to the magnitude of the current and the direction of the bias magnetic field, thereby forming a bridge circuit. The magnitude of the voltage drop in each of the magnetic sensor elements 8a to 8d changes. If the midpoint potentials V1 and V2 of the bridge circuit change in the positive and negative directions according to the change in the magnitude of the voltage drop, and the characteristics of the magnetic sensor elements 8a to 8d are all equal, the output of the bridge circuit The voltage is quadrupled compared to when measured with one magnetic sensor element.
本発明に基づく電流センサと電線９との相対位置がずれた場合について検討する。電流センサと電線９との相対位置がずれたとき、各磁気センサ素子８ａ〜８ｄのうち、電線９との距離が遠くなる磁気センサ素子における磁気特性の変化は小さくなる。一方、その距離が近くなる磁気センサ素子における磁気特性の変化は大きくなる。本発明の電流センサにおいては、所定の方向にバイアス磁界が印加されていることで、電線９が基板と同一の面内のいずれの方向にずれた場合でも、ブリッジ回路の中点電位Ｖ１とＶ２は正負同じ方向に変化し、ブリッジ回路の出力電圧はほとんど変化しない。 The case where the relative position of the current sensor based on this invention and the electric wire 9 shifted | deviated is examined. When the relative position between the current sensor and the electric wire 9 is deviated, the change in magnetic characteristics of the magnetic sensor element whose distance from the electric wire 9 is long among the magnetic sensor elements 8a to 8d becomes small. On the other hand, the change of the magnetic characteristic in the magnetic sensor element whose distance is short becomes large. In the current sensor of the present invention, since the bias magnetic field is applied in a predetermined direction, the midpoint potentials V1 and V2 of the bridge circuit can be obtained even when the electric wire 9 is displaced in any direction within the same plane as the substrate. Changes in the same direction, and the output voltage of the bridge circuit hardly changes.
図８は、図７の回路構成による電流センサと電線９との相対的な位置ずれ誤差の測定結果例図である。図８において、横軸は電線９と電流センサとの相対的な位置ずれ距離を示し、縦軸は測定誤差の大きさを示している。本測定にあたっては、磁気センサ素子８ａ〜８ｄとしてナノグラニュラ膜と軟磁性薄膜からなる磁気抵抗素子を用い、隣り合う磁気センサ素子間の直線距離を２３ｍｍとし、計装アンプＡＭＰの出力電圧を測定した。 FIG. 8 is an example of a measurement result of a relative displacement error between the current sensor and the electric wire 9 with the circuit configuration of FIG. In FIG. 8, the horizontal axis indicates the relative displacement distance between the electric wire 9 and the current sensor, and the vertical axis indicates the magnitude of the measurement error. In this measurement, magnetoresistive elements composed of nanogranular films and soft magnetic thin films were used as the magnetic sensor elements 8a to 8d, the linear distance between adjacent magnetic sensor elements was 23 mm, and the output voltage of the instrumentation amplifier AMP was measured. .
図８の測定結果によれば、本発明に基づく電流センサの測定誤差は、相対位置が５ｍｍずれた場合でも１．５％以下であるが、１個の磁気センサ素子のみで測定した場合には、相対的な位置が５ｍｍずれると測定誤差は１９．８％になっている。 According to the measurement result of FIG. 8, the measurement error of the current sensor according to the present invention is 1.5% or less even when the relative position is shifted by 5 mm, but when measured with only one magnetic sensor element, When the relative position is shifted by 5 mm, the measurement error is 19.8%.
このことより、相対的な位置が５ｍｍずれた場合における測定誤差が１／１３に低減されることが明らかである。すなわち、本発明に基づく電流センサは、位置ずれ誤差を低減する効果を有するものである。 From this, it is clear that the measurement error is reduced to 1/13 when the relative position is shifted by 5 mm. That is, the current sensor according to the present invention has an effect of reducing the positional deviation error.
本発明に基づく電流センサに地磁気のような一様な磁界が印加された場合、４つの磁気センサ素子８ａ〜８ｄにはその磁界の大きさとバイアス磁界方向に応じた磁気特性の変化が生じ、ブリッジ回路内では各磁気センサ素子８ａ〜８ｄにおける電圧降下の大きさが変化する。それらの電圧降下の大きさの変化により、図５中のＶ１とＶ２の各中点電位が正負同じ向きで同じ大きさで変化し、ブリッジ回路の出力電圧の変化はほとんど生じない。 When a uniform magnetic field such as geomagnetism is applied to the current sensor according to the present invention, the magnetic characteristics of the four magnetic sensor elements 8a to 8d change according to the magnitude of the magnetic field and the direction of the bias magnetic field. In the circuit, the magnitude of the voltage drop in each of the magnetic sensor elements 8a to 8d changes. Due to the change in the magnitude of the voltage drop, the midpoint potentials of V1 and V2 in FIG. 5 change in the same magnitude in the same direction, and almost no change occurs in the output voltage of the bridge circuit.
また、本発明の電流センサにおいて、周囲の温度が変化した場合、磁気センサ素子の磁気特性が変化する。その場合、すべての磁気センサ素子の磁気特性の変化は同一方向に変化し、図５中のＶ１とＶ２の各中点電位が正負同じ向きで変化し、ブリッジ回路の出力電圧の温度変化によるオフセットはほとんど生じない。 In the current sensor of the present invention, when the ambient temperature changes, the magnetic characteristics of the magnetic sensor element change. In that case, the change in the magnetic characteristics of all the magnetic sensor elements changes in the same direction, the midpoint potentials of V1 and V2 in FIG. 5 change in the same direction, and the offset due to the temperature change of the output voltage of the bridge circuit Hardly occurs.
なお、上記実施例では、磁気センサ素子として、ナノグラニュラ膜と軟磁性膜からなる磁気抵抗素子を用いる例を説明したが、これに限るものではなく、磁界の印加に対して電気的抵抗が変化する異方性磁気抵抗素子（ＡＭＲ）、巨大磁気抵抗素子（ＧＭＲ）、トンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ）などの磁気抵抗素子や、磁界の印加に対して電気的インピーダンスが変化する軟磁性材料により構成されるアモルファスワイヤあるいは薄膜からなる磁気インピーダンス素子などを用いることができる。 In the above embodiment, an example in which a magnetoresistive element composed of a nanogranular film and a soft magnetic film is used as the magnetic sensor element is described. However, the present invention is not limited to this, and the electrical resistance changes with the application of a magnetic field. It consists of magnetoresistive elements such as anisotropic magnetoresistive elements (AMR), giant magnetoresistive elements (GMR), tunneling magnetoresistive elements (TMR), and soft magnetic materials whose electrical impedance changes with application of a magnetic field. A magnetic impedance element made of an amorphous wire or a thin film can be used.
また、上記実施例では、永久磁石として、サマリウムとコバルトを主成分とするサマリウム・コバルト磁石を用いる例を説明したが、ネオジムと鉄とホウ素を主成分とするネオジム磁石や、酸化鉄を主成分とするフェライト磁石、アルミニウムとニッケルとコバルトと鉄を主成分とするアルニコ磁石、鉄とクロムとコバルトを主成分とする磁石などを用いてもよい。 Moreover, although the example which uses the samarium cobalt magnet which has samarium and cobalt as a main component was demonstrated as a permanent magnet in the said Example, the neodymium magnet which has neodymium, iron and boron as a main component, and iron oxide as a main component. A ferrite magnet, an alnico magnet mainly composed of aluminum, nickel, cobalt, and iron, a magnet mainly composed of iron, chromium, and cobalt may be used.
また、上記実施例では、磁気センサ素子８にバイアス磁界を印加するのにあたり、永久磁石１０で印加する方法を説明したが、磁気センサ素子の感磁方向に対して所定の大きさのバイアス磁界が印加されればよく、永久磁石の位置や個数については実施例に限るものではない。 In the above embodiment, the method of applying the bias magnetic field to the magnetic sensor element 8 with the permanent magnet 10 has been described. However, a bias magnetic field having a predetermined magnitude with respect to the magnetic sensing direction of the magnetic sensor element is described. The position and the number of permanent magnets are not limited to those in the embodiment.
図３の実施例では、必要なバイアス磁界強度が２０Ｏｅ程度であったため、永久磁石１０を非磁性のセンサ基板１１に直付けしたが、数Ｏｅ程度の低バイアス磁界を印加する場合には、図９に示すように軟磁性材で構成された取付部材１４を介して非磁性のセンサ基板１１に取り付ければよい。図９の実施例では、永久磁石１０の両磁極面の少なくとも一部を取付部材１４で覆うことにより両磁極面を連結した状態でバイアス磁界を印加する。 In the embodiment of FIG. 3, since the required bias magnetic field strength is about 20 Oe, the permanent magnet 10 is directly attached to the non-magnetic sensor substrate 11. However, when a low bias magnetic field of about several Oe is applied, FIG. 9 may be attached to the nonmagnetic sensor substrate 11 via an attachment member 14 made of a soft magnetic material. In the embodiment of FIG. 9, the bias magnetic field is applied in a state where both the magnetic pole surfaces are connected by covering at least a part of both magnetic pole surfaces of the permanent magnet 10 with the mounting member 14.
図１０も本発明の他の実施例を示す構成説明図である。（Ａ）〜（Ｃ）は非磁性スペーサを設けない構成であって、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は底面図である。（Ｄ）〜（Ｆ）は非磁性スペーサを設けた構成を示すもので、（Ｄ）は上面図、（Ｅ）は側面図、（Ｆ）は底面図である。 FIG. 10 is also an explanatory diagram showing the construction of another embodiment of the present invention. (A)-(C) are the structures which do not provide a nonmagnetic spacer, Comprising: (A) is a top view, (B) is a side view, (C) is a bottom view. (D)-(F) show the structure which provided the nonmagnetic spacer, (D) is a top view, (E) is a side view, (F) is a bottom view.
図１０（Ｂ）において、非磁性材料よりなるセンサ基板１１の一方の面（上面）には感磁素子８がその磁極方向が感磁方向Ａに対して平行になるように配置されていて、その両端には配線パッド１２、１３が設けられている。他方の面（下面）にはコの字形に成形された軟磁性構造体１４の連結部１４ａが固着されていて、軟磁性構造体１４の開口部１４ｂにはバルク磁石１０の両磁極の磁界方向が感磁方向Ａに対して同一で平行な状態になるようにバルク磁石１０の両磁極面の一部が嵌め合わされている。 In FIG. 10B, the magnetosensitive element 8 is arranged on one surface (upper surface) of the sensor substrate 11 made of a nonmagnetic material so that the magnetic pole direction thereof is parallel to the magnetosensitive direction A. At both ends, wiring pads 12 and 13 are provided. A connecting portion 14a of a soft magnetic structure 14 formed in a U-shape is fixed to the other surface (lower surface), and the magnetic field direction of both magnetic poles of the bulk magnet 10 is fixed to the opening 14b of the soft magnetic structure 14. Are part of both magnetic pole faces of the bulk magnet 10 so as to be in the same and parallel state with respect to the magnetic sensing direction A.
図１０（Ｅ）において、センサ基板１１と軟磁性構造体１４の連結部１４ａとの間には非磁性材料よりなるスペーサ１５が設けられている。 In FIG. 10E, a spacer 15 made of a nonmagnetic material is provided between the sensor substrate 11 and the connecting portion 14a of the soft magnetic structure 14.
ここで、感磁素子８は、印加磁界に対する出力特性が線対称となる特性を持つものとする。バルク磁石１０は感磁素子８に対してバイアス磁界を印加するように機能し、軟磁性構造体１４はバルク磁石１０の両磁極面の少なくとも一部を覆うことによりバルク磁石１０の両磁極面を連結するように機能する。 Here, it is assumed that the magnetosensitive element 8 has a characteristic that the output characteristic with respect to the applied magnetic field is line symmetric. The bulk magnet 10 functions to apply a bias magnetic field to the magnetosensitive element 8, and the soft magnetic structure 14 covers both magnetic pole faces of the bulk magnet 10 by covering at least a part of both magnetic pole faces of the bulk magnet 10. Functions to connect.
図１１も本発明の他の実施例を示す構成説明図である。図１１（Ｂ）において、非磁性材料よりなるセンサ基板１１の一方の面（上面）には感磁素子８がその磁極方向が感磁方向Ａに対して平行になるように配置され、その両端には配線パッド１２、１３が設けられている。他方の面（下面）には、バルク磁石１０の両磁極の磁界方向が感磁方向Ａに対して同一で平行な状態を維持するように図１１（Ｂ）の状態から軟磁性構造体１４を９０°回転させた状態で、コの字形に成形された軟磁性構造体１４の連結部に隣接する一方の側面部が固着されていて、軟磁性構造体１４の開口部にはバルク磁石１０の両磁極面の一部が嵌め合わされている。 FIG. 11 is also an explanatory diagram of the structure showing another embodiment of the present invention. In FIG. 11B, the magnetosensitive element 8 is arranged on one surface (upper surface) of the sensor substrate 11 made of a nonmagnetic material so that the magnetic pole direction thereof is parallel to the magnetosensitive direction A, and both ends thereof. Are provided with wiring pads 12 and 13. On the other surface (lower surface), the soft magnetic structure 14 is placed from the state of FIG. 11B so that the magnetic field directions of both magnetic poles of the bulk magnet 10 are the same and parallel to the magnetic sensing direction A. One side surface adjacent to the connecting portion of the soft magnetic structure 14 formed in a U-shape after being rotated by 90 ° is fixed, and the opening of the bulk magnet 10 is attached to the opening of the soft magnetic structure 14. Part of both magnetic pole faces are fitted together.
図１１（Ｅ）において、センサ基板１１と軟磁性構造体１４の連結部との間には非磁性材料よりなるスペーサ１５が設けられている。 In FIG. 11E, a spacer 15 made of a nonmagnetic material is provided between the sensor substrate 11 and the connecting portion of the soft magnetic structure 14.
図１２も本発明の他の実施例を示す構成説明図である。図１２（Ｂ）において、非磁性材料よりなるセンサ基板１１の一方の面（上面）には感磁素子８がその磁極方向が感磁方向Ａに対して平行になるように配置されていて、その両端には配線パッド１２、１３が設けられている。他方の面（下面）には、バルク磁石１０の両磁極が感磁方向Ａに対して同一の磁界方向で平行な状態を維持するように図１２（Ｂ）の状態から軟磁性構造体１４を１８０°回転させた状態でバルク磁石１０の端面が固着され、磁性構造体１４の連結部は底面として露出している。 FIG. 12 is also an explanatory view of the configuration showing another embodiment of the present invention. In FIG. 12B, the magnetosensitive element 8 is disposed on one surface (upper surface) of the sensor substrate 11 made of a nonmagnetic material so that the magnetic pole direction thereof is parallel to the magnetosensitive direction A. At both ends, wiring pads 12 and 13 are provided. On the other surface (lower surface), the soft magnetic structure 14 is placed from the state shown in FIG. 12B so that both magnetic poles of the bulk magnet 10 remain parallel to the magnetic sensing direction A in the same magnetic field direction. The end surface of the bulk magnet 10 is fixed in a state rotated by 180 °, and the connecting portion of the magnetic structure 14 is exposed as a bottom surface.
図１２（Ｅ）において、センサ基板１１と軟磁性構造体１４の連結部との間には非磁性材料よりなるスペーサ１５が設けられている。 In FIG. 12E, a spacer 15 made of a nonmagnetic material is provided between the sensor substrate 11 and the connecting portion of the soft magnetic structure 14.
図１３も本発明の他の実施例を示す構成説明図である。図１３（Ｂ）において、非磁性材料よりなるセンサ基板１１の一方の面（上面）には感磁素子８がその磁極方向が感磁方向Ａに対して平行になるように配置され、その両端には配線パッド１２、１３が設けられている。他方の面（下面）には、バルク磁石１０の両磁極の磁界方向が感磁方向Ａに対して直交するように、コの字形に成形された開口部にバルク磁石１０の両磁極面の一部を嵌め合わせた軟磁性構造体１４が、図１３（Ｂ）の状態から反時計方向に９０°回転させた状態で配置されている。 FIG. 13 is also an explanatory diagram of the structure showing another embodiment of the present invention. In FIG. 13B, the magnetosensitive element 8 is arranged on one surface (upper surface) of the sensor substrate 11 made of a nonmagnetic material so that the magnetic pole direction thereof is parallel to the magnetosensitive direction A, and both ends thereof. Are provided with wiring pads 12 and 13. On the other surface (lower surface), one of the magnetic pole surfaces of the bulk magnet 10 is formed in an opening formed in a U shape so that the magnetic field directions of the magnetic poles of the bulk magnet 10 are orthogonal to the magnetic sensing direction A. The soft magnetic structures 14 fitted with the portions are arranged in a state rotated 90 ° counterclockwise from the state of FIG. 13B.
これら図１０から図１３の構成によれば、バルク磁石１０と軟磁性構造体１４の配置方法が異なるため印加磁界強度はそれぞれ異なるものの、バルク磁石１０単体を用いた際の磁界と比較して弱められたバイアス磁界が印加されることになる。 10 to 13, the arrangement method of the bulk magnet 10 and the soft magnetic structure 14 is different, so that the applied magnetic field strength is different, but it is weaker than the magnetic field when using the bulk magnet 10 alone. The applied bias magnetic field is applied.
図１４は、非磁性スペーサ１５の効果を確認するための磁気検出装置の構成説明図である。なお、感磁素子８としてナノグラニュラ膜と軟磁性薄膜からなるトンネル磁気抵抗素子を用い、非磁性スペーサ１５として厚さ０．５ｍｍの石英板を用いている。また感磁素子８が形成されるセンサ基板１１の厚さも０．５ｍｍである。 FIG. 14 is a configuration explanatory diagram of a magnetic detection device for confirming the effect of the nonmagnetic spacer 15. The magnetosensitive element 8 is a tunnel magnetoresistive element made of a nanogranular film and a soft magnetic thin film, and the nonmagnetic spacer 15 is a quartz plate having a thickness of 0.5 mm. The thickness of the sensor substrate 11 on which the magnetosensitive element 8 is formed is also 0.5 mm.
図１５も本発明の他の実施例を示す構成説明図であって、図１の電流センサの基板７を切溝７ａの長手方向に沿って短縮したものであり、図１と共通する部分には同一の符号を付けている。図１５において、基板７上には、４つの磁気センサ素子８ａ〜８ｄが、被測定電流が流れる電線９を中心とした円周上であってその感磁方向がその円の接線方向を向くとともに、切溝７ａの長手方向を短辺とし、電線９を中心とする円に内接する長方形の各頂点に配置されている。バイアス磁界の印加や検出回路などについては、図１と同じである。 FIG. 15 is also a structural explanatory view showing another embodiment of the present invention, in which the substrate 7 of the current sensor of FIG. 1 is shortened along the longitudinal direction of the kerf 7a, and in a portion common to FIG. Have the same reference numerals. In FIG. 15, on the substrate 7, four magnetic sensor elements 8a to 8d are on the circumference centered on the electric wire 9 through which the current to be measured flows, and the magnetic sensitive direction is directed to the tangential direction of the circle. The longitudinal direction of the kerf 7a is a short side and is arranged at each vertex of a rectangle inscribed in a circle centered on the electric wire 9. The application of the bias magnetic field and the detection circuit are the same as in FIG.
図１５の構成によれば、磁気センサ素子８ａ〜８ｄの配置を変更することで基板長さＬを図１よりも短くでき、結果として、電流センサを小型化できる。これにより、分電盤内などの電流センサの設置スペースが小さい場所での電流測定が容易になる。 According to the configuration of FIG. 15, the substrate length L can be made shorter than that of FIG. 1 by changing the arrangement of the magnetic sensor elements 8a to 8d, and as a result, the current sensor can be miniaturized. This facilitates current measurement in a place where the installation space for the current sensor is small, such as in a distribution board.
図１６も本発明の他の実施例を示す構成説明図であり、電線９の断面形状が矩形のバスバーの例を示している。図１６において、基板７は、被測定電流に対して垂直な面とその基板面とが平行になるように設置されている。基板７上には、４つの磁気センサ素子８ａ〜８ｄが、被測定電流が流れる電線９の周囲に楕円状で、その感磁方向がその楕円の接線方向を向くとともに、その楕円に内接する長方形の各頂点に位置するように配置されている。楕円の円周に沿って隣り合う磁気センサ素子同士のバイアス磁界の向きは、その楕円の円周に沿って互いに逆向きに配置されている。なお、バイアス磁界の印加方法および検出回路は、図１の実施例と同じである。 FIG. 16 is also a configuration explanatory view showing another embodiment of the present invention, and shows an example of a bus bar in which the cross-sectional shape of the electric wire 9 is rectangular. In FIG. 16, the substrate 7 is installed such that the surface perpendicular to the current to be measured and the substrate surface are parallel to each other. On the substrate 7, four magnetic sensor elements 8 a to 8 d are elliptical around the electric wire 9 through which the current to be measured flows, the magnetosensitive direction is the tangential direction of the ellipse, and the rectangle inscribed in the ellipse It is arranged to be located at each vertex. The directions of the bias magnetic fields between the magnetic sensor elements adjacent to each other along the circumference of the ellipse are arranged in opposite directions along the circumference of the ellipse. The bias magnetic field application method and the detection circuit are the same as those in the embodiment of FIG.
バスバーに流れる電流を測定する場合、発生する磁界は楕円状を描く。そのため、磁気センサ素子８ａ〜８ｄを図１で示したように円形に配置した状態では、感磁方向が発生磁界の方向に接しないため、電流の検出感度が小さくなるという問題がある。そこで、図１６に示すように磁気センサ素子の配置を楕円状に変更することで、バスバーから生じる磁界を感度よく測定できる。 When measuring the current flowing through the bus bar, the generated magnetic field has an elliptical shape. Therefore, in the state where the magnetic sensor elements 8a to 8d are arranged in a circle as shown in FIG. 1, there is a problem that the current detection sensitivity becomes small because the magnetic sensing direction does not contact the direction of the generated magnetic field. Therefore, the magnetic field generated from the bus bar can be measured with high sensitivity by changing the arrangement of the magnetic sensor elements to an ellipse as shown in FIG.
以上説明したように、本発明によれば、低消費電力で高感度特性を有し、小型かつ簡素な構造で、位置ずれ誤差を低減できるとともに比較的安価な磁気センサ素子を用いた電流センサが実現できる。 As described above, according to the present invention, there is provided a current sensor using a magnetic sensor element that has low power consumption, high sensitivity characteristics, a small and simple structure, can reduce misalignment errors, and is relatively inexpensive. realizable.
７ 基板
８ａ〜８ｄ 磁気センサ素子
９ 電線
１０ 永久磁石
１１ センサ基板
１２、１３ 配線パッド
１４ 軟磁性構造体
１５ 非磁性スペーサ
7 Substrate 8a to 8d Magnetic sensor element 9 Electric wire 10 Permanent magnet 11 Sensor substrate 12, 13 Wiring pad 14 Soft magnetic structure 15 Nonmagnetic spacer
Claims (2)
磁気特性曲線が線対称形の４つの磁気センサ素子により形成され、その内部に、被測定電流が流れる電線が配置されているブリッジ回路と、
前記各磁気センサ素子に対してバイアス磁界を印加するバイアス磁界印加手段とで構成され、
前記４つの磁気センサ素子は、前記被測定電流により発生される磁界の発生方向に応じて、その最大感度を示す感磁方向が前記磁界の発生方向を示す円または楕円の接線方向を向くとともに、前記円または楕円に内接する正方形または長方形の各頂点に位置するように配置され、
前記４つの磁気センサ素子のうちの隣り合う同士に印加されるバイアス磁界の向きは前記円または楕円の円周に沿って互いに逆向きであることを特徴とする電流センサ。 In a current sensor using a magnetic sensor element that converts the magnitude of a magnetic field into an electrical signal and outputs it,
A bridge circuit in which a magnetic characteristic curve is formed by four line-symmetrical magnetic sensor elements and an electric wire through which a current to be measured flows is arranged;
A bias magnetic field applying means for applying a bias magnetic field to each of the magnetic sensor elements,
The four magnetic sensor elements, according to the direction of generation of the magnetic field generated by the current to be measured, the magnetosensitive direction indicating the maximum sensitivity is directed to the tangential direction of a circle or ellipse indicating the direction of generation of the magnetic field, Arranged to be located at each vertex of a square or rectangle inscribed in the circle or ellipse,
The current sensor characterized in that directions of bias magnetic fields applied to adjacent ones of the four magnetic sensor elements are opposite to each other along the circumference of the circle or ellipse.
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