KR101638234B1 - 전류 센서 - Google Patents

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요코가와 덴키 가부시키가이샤
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Abstract

전류 센서는, 4개의 피측정 전류에 대해 직교하는 면내에 배치되어, 선대칭형의 자기 특성 곡선을 갖고, 자계의 크기를 전기적 신호로 변환하여 출력하는 자기 센서 소자와, 상기 4개의 자기 센서 소자를 포함하는 브리지 회로와, 상기 자기 센서 소자에 바이어스 자계를 인가하는 바이어스 자계 인가 부재를 포함한다.

Description

전류 센서 {CURRENT SENSOR}
본 개시는, 자기 센서 소자를 사용한 전류 센서에 관한 것이다.
전류 센서의 일종에, 자기 센서 소자를 사용한 것이 있다. 자기 센서 소자는, 자계의 크기를 전기적 저항의 변화 혹은 기전력 등에 따른 전기적 신호로 변환하여 출력한다.
전선을 흐르는 전류의 크기를 비접촉으로 검출하는 경우, 전선의 중심과 전류 센서의 상대적인 위치가 어긋나면, 측정 오차가 발생하는 일이 있다.
이에, 전류 센서에 있어서의 위치 어긋남 오차를 저감하는 방법으로서, 집자(集磁) 코어 혹은 복수의 자기 센서 소자를 사용하는 것이 제안되어 있다.
한편, 위치 어긋남 오차란, 전류 센서와 피측정 전류가 흐르는 전선의 상대적인 위치가 어긋났을 때에 발생하는 측정 오차이다.
그리고, 집자 코어는, 높은 투자율을 갖는 연자성 금속으로 형성되며, 자속을 모으는 효과가 높은 것을 의미한다.
도 17은, 집자 코어를 사용한 종래의 전류 센서의 일례의 구성을 나타내는 설명도이다(일본 공개특허공보 2002-303642호). 도 17에 나타내는 바와 같이, 집자 코어(1)를 사용하는 경우, 홀 소자(2)는, 집자 코어(1)를 따른 자속을 측정한다. 이 때문에, 집자 코어(1) 내에서 전선(3)의 위치가 어긋난 경우에도, 측정되는 자속량은 거의 변화하지 않는다. 그 결과, 측정 오차는 거의 발생하지 않는다.
그런데, 집자 코어를 사용한 경우, 예를 들어, 진동에 의한 집자 코어의 어긋남, 집자 코어의 녹?, 온도 변화에 의한 집자 코어의 특성 열화, 및/또는, 집자 코어에서 기인하는 센서의 직선성 및/또는 히스테리시스 특성의 악화에 의해, 측정 정밀도가 악화되는 일이 있다. 또한, 집자 코어는, 자기적으로 불포화인 상태에서 사용된다. 이 때문에, 집자 코어의 사이즈가 커진다. 그 결과, 센서 자체의 사이즈가 커진다.
도 18은, 복수의 전선의 주위에 배치된 홀 소자를 갖는 종래의 전류 센서의 일례의 구성을 나타내는 설명도이다(일본 공개특허공보 2007-107972호). 도 18에 나타내는 바와 같이, 복수의 홀 소자(4)는, 전선(5)을 중심으로 한 기판(6)의 원주 상에 배치되어 있다. 원주 상에서 이웃하는 홀 소자끼리는, 전기적으로 직렬 접속되어 있다.
이 구성에서는, 전선(5)과 전류 센서의 상대적인 위치의 어긋남에 의해, 각 홀 소자(4)의 출력이 변화한다. 이들 변화는, 홀 소자(4)의 출력의 합에 발생하는 변화를 없앤다. 전선(5)의 위치가 어긋난 경우에도, 전체 홀 소자(4)의 출력의 합은 거의 변화하지 않는다. 이 때문에, 측정 오차는 거의 발생하지 않는다.
1. 일본 공개특허공보 2002-303642호 2. 일본 공개특허공보 2007-107972호
도 18에 나타낸 종래의 구성에서는, 홀 소자(4)의 감도가 비교적 낮다. 이 때문에, 전류 센서로서의 감도가 낮다. 전류 센서로서의 감도를 조금이라도 높게 하기 위하여, 많은 소자를 사용하는 것도 생각할 수 있다. 그러나, 이 경우, 전류 센서 전체의 사이즈가 커진다. 그 결과, 부품점수 및 비용이 증대된다.
본 개시에 있어서의 하나의 목적은, 저소비 전력으로, 높은 감도 특성을 갖고, 소형이면서 또한 간소한 구조를 갖고, 위치 어긋남 오차를 저감시킬 수 있음과 함께, 비교적 저렴한 자기 센서 소자를 갖는 전류 센서를 실현하는 것에 있다.
본 개시의 제1 양태에 따른 전류 센서는, 4개의 피측정 전류에 대해 직교하는 면내에 배치되어, 선대칭형의 자기 특성 곡선을 갖고, 자계의 크기를 전기적 신호로 변환하여 출력하는 자기 센서 소자와, 상기 4개의 자기 센서 소자를 포함하는 브리지 회로와, 상기 자기 센서 소자에 바이어스 자계를 인가하는 바이어스 자계 인가 부재를 포함한다.
본 개시의 제2 양태에 따른 전류 센서는, 제1 양태에 따른 전류 센서에 있어서, 상기 자기 센서 소자는, 자계의 인가에 따라 전기적 저항이 변화하는 자기 저항 소자이다.
본 개시의 제3 양태에 따른 전류 센서는, 제1 양태에 따른 전류 센서에 있어서, 상기 자기 센서 소자는, 자계의 인가에 따라 전기적 임피던스가 변화하는 자기 임피던스 소자이다.
본 개시의 제4 양태에 따른 전류 센서는, 제1~3 중 어느 하나의 양태에 따른 전류 센서에 있어서, 상기 바이어스 자계 인가 부재가 영구 자석을 포함한다.
본 개시의 제5 양태에 따른 전류 센서는, 제1~제4 중 어느 하나의 양태에 따른 전류 센서에 있어서, 상기 자기 센서 소자를 실장하기 위한 비자성체로 이루어지는 센서 기판을 더 갖고 있다.
본 개시의 제6 양태에 따른 전류 센서는, 제5 양태에 따른 전류 센서에 있어서, 상기 센서 기판의 일방의 면에 상기 자기 센서 소자가 실장되어 있고, 상기 센서 기판의 타방의 면에 상기 바이어스 자계 인가 부재가 배치되어 있다.
본 개시의 제7 양태에 따른 전류 센서는, 제6 양태에 따른 전류 센서에 있어서, 상기 바이어스 자계 인가 부재를 상기 센서 기판에 장착하기 위한 자성재로 구성된 장착 부재를 더 갖고 있다.
본 개시의 제8 양태에 따른 전류 센서는, 제1~7 중 어느 하나의 양태에 따른 전류 센서에 있어서, 상기 바이어스 자계 인가 부재는, 그 자극 방향이 상기 자기 센서 소자의 최대 감도를 나타내는 감자 방향과 평행이 되도록 배치되어 있다.
본 개시의 제9 양태에 따른 전류 센서는, 제1~8 중 어느 하나의 양태에 따른 전류 센서에 있어서, 상기 브리지 회로는, 그 내부에 피측정 전류가 흐르는 전선이 배치되도록 구성되어 있다.
이들에 의해, 저소비 전력으로, 높은 감도 특성을 갖고, 소형이면서 또한 간소한 구조를 갖고, 위치 어긋남 오차를 저감시킬 수 있음과 함께, 비교적 저렴한 전류 센서를 실현할 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시형태에 기초하는 전류 센서의 일 실시예의 구성을 나타내는 설명도이다.
도 2는 선대칭형의 자기 특성 곡선(CH)의 설명도이다.
도 3은, 도 1의 부분 확대도이다.
도 4A 및 B는 바이어스 자계의 설명도이다.
도 5는 본 개시의 일 실시형태에 기초하는 전류 센서의 회로예도이다.
도 6은 본 개시의 일 실시형태에 기초하는 전류 센서의 다른 실시예의 구성을 나타내는 설명도이다.
도 7은 위치 어긋남 오차 측정에 사용되는 본 개시의 일 실시형태에 기초하는 전류 센서의 회로예도이다.
도 8은 도 7의 회로 구성을 갖는 전류 센서와 전선의 상대적인 위치 어긋남에 의한 오차의 측정 결과의 예를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 개시의 일 실시형태에 기초하는 전류 센서의 다른 실시예의 구성을 나타내는 설명도이다.
도 10A~F는 본 개시의 일 실시형태의 다른 실시예의 구성을 나타내는 설명도이다.
도 11A~F는 본 개시의 일 실시형태의 다른 실시예의 구성을 나타내는 설명도이다.
도 12A~F는 본 개시의 일 실시형태의 다른 실시예의 구성을 나타내는 설명도이다.
도 13A~F는 본 개시의 일 실시형태의 다른 실시예의 구성을 나타내는 설명도이다.
도 14A~F는 본 개시의 일 실시형태의 다른 실시예의 구성을 나타내는 설명도이다.
도 15는 본 개시의 일 실시형태의 다른 실시예의 구성을 나타내는 설명도이다.
도 16은 본 개시의 일 실시형태의 다른 실시예의 구성을 나타내는 설명도이다.
도 17은 집자 코어를 사용한 종래의 전류 센서의 일례의 구성을 나타내는 설명도이다.
도 18은 복수의 전선의 주위에 배치된 홀 소자를 갖는 종래의 전류 센서의 일례의 구성을 나타내는 설명도이다.
하기의 상세 설명에서는, 설명을 목적으로, 개시된 실시형태에 대한 완벽한 이해를 위해 다양하고 자세한 내용이 명기되어 있다. 그러나 하나 혹은 그 이상의 실시형태가 이와 같은 구체적인 설명 없이 실시될 수 있다. 다른 예에서는 주지의 구조와 장치들을 도면의 간략화를 위해 개략적으로 제시한다.
전류 센서는, 4개의 피측정 전류에 대해 직교하는 면내에 배치되어, 선대칭형의 자기 특성 곡선을 갖고, 자계의 크기를 전기적 신호로 변환하여 출력하는 자기 센서 소자와, 상기 4개의 자기 센서 소자를 포함하는 브리지 회로와, 상기 자기 센서 소자에 바이어스 자계를 인가하는 바이어스 자계 인가 부재를 포함한다.
이하, 본 개시의 일 실시형태에 대해, 도면을 이용하여 상세하게 설명한다. 도 1은 본 실시형태에 기초하는 전류 센서의 일 실시예의 구성을 나타내는 설명도이다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 이 실시예는, 기판(7)과, 4개의 자기 센서 소자(8a~8d)를 갖고 있다. 자기 센서 소자(8a~8d)는, 기판(7)의 일방의 면 상에 소정의 위치 관계를 갖도록 장착되어 있다. 자기 센서 소자(8a~8d)는, 도 2에 나타내는 바와 같은 선대칭형의 자기 특성 곡선(CH)을 갖는다. 또한, 기판(7)에는 절삭 홈(7a)이 형성되어 있다. 절삭 홈(7a)에는, 피측정 전류가 흐르는 원형의 단면 형상을 갖는 전선(9)이 삽입된다. 한편, 이 실시예는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 자기 센서 소자(8a~8d)를 실장하기 위한 센서 기판(11)을 갖고 있다(도 1에서는, 센서 기판(11)은 생략되어 있다). 한편, 도 3에서는, 자기 센서 소자(8a~8d) 중 자기 센서 소자(8a)만을 나타내고 있다.
기판(센서 기판)(7)은, 전선(9)에 대하여, 기판(7)의 평면이 전선(9)을 흐르는 피측정 전류에 대해 수직인 면이 되도록 설치되어 있다. 4개의 자기 센서 소자(8a~8d)는, 전선(9)을 중심으로 한, 파선으로 나타내는 소정의 반경을 갖는 원(A)의 원주 상에 배치되어 있다. 자기 센서 소자(8a~8d)는, 그들의 최대 감도를 나타내는 감자 방향이, 그 원(A)의 접선 방향을 향하도록, 또한, 자기 센서 소자(8a~8d)가, 원(A)에 내접하는 정방형(B)의 각 정점에 위치하도록 배치되어 있다.
이들 4개의 자기 센서 소자(8a~8d)의 각각에는, 도 3에 나타내는 바와 같은 영구 자석(10)(바이어스 자계 인가 부재)에 의해 화살표(Ca~Cd)의 방향으로 바이어스 자계가 인가된다. 영구 자석(10)은, 4개의 자기 센서 소자(8a~8d)마다 설치되어 있어도 된다. 영구 자석(10)은, 기판(7)의 타방의 면에 배치되어 있다. 원(A)의 원주를 따라 이웃하는 자기 센서 소자(8a~8d)끼리에 인가되는 바이어스 자계의 방향은, 그 원(A)의 원주를 따라 서로 역방향이다. 한편, 원(A)은, 각 자기 센서 소자(8a~8d)의 감자 방향을 나타낸다. 실선으로 나타내는 원(D)은, 전선(9)을 흐르는 피측정 전류에 의해 발생하는 자계의 방향을 나타내고 있다.
도 3은 도 1의 부분 확대도이다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 영구 자석(10)은, 그 자극 방향이 자기 센서 소자(8a~8d)의 감자 방향에 대해 평행이 되도록 배치되어 있다. 영구 자석(10)과 자기 센서 소자(8a~8d) 사이의 거리를, 비자성체로 이루어지는 센서 기판(11)으로 적절히 조절함으로써, 자기 센서 소자(8a~8d)에 최적인 크기의 바이어스 자계를 인가할 수 있다. 한편, 자기 센서 소자(8)의 양단에는, 각각 배선 패드(12 및 13)가 장착되어 있다. 또한, 타원(E)은, 영구 자석(10)에 의한 자속을 나타내고 있다.
도 4A 및 B는 바이어스 자계의 설명도이다. 도 4A는 바이어스 자계가 없는 경우의 자기 특성 곡선(CH)을 나타낸다. 도 4B는 바이어스 자계가 있는 경우의 자기 특성 곡선(CH)을 나타내고 있다. 바이어스 자계가 없는 경우, 동작점이, 도 4A에 나타내는 바와 같이 자기 특성 곡선(CH)의 극대값에 있다고 한다. 이 경우, 도 4B에 나타내는 바와 같이, 바이어스 자계를 인가함으로써, 동작점을 자기 특성 곡선(CH) 상의 임의의 점으로 이동할 수 있다.
도 5는, 본 개시의 일 실시형태에 기초하는 전류 센서의 회로의 예를 나타낸다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 도 1의 원(A)의 원주를 따라 이웃하는 자기 센서 소자(8a~8d)끼리가 전기적으로 접속되어 있다. 이에 의해, 브리지 회로가 형성되어 있다. 이 브리지 회로는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 그 내부에 피측정 전류가 흐르는 전선(9)이 배치되도록 구성되어 있다.
도 5에 나타내는 바와 같이, 자기 센서 소자(8a)의 일단은, 입력 단자(T1)에 접속됨과 함께, 자기 센서 소자(8b)의 일단에 접속되어 있다. 자기 센서 소자(8a)의 타단은, 출력 단자(T3)에 접속됨과 함께, 자기 센서 소자(8d)의 타단에 접속되어 있다. 자기 센서 소자(8b)의 타단은, 출력 단자(T4)에 접속됨과 함께, 자기 센서 소자(8c)의 타단에 접속되어 있다. 자기 센서 소자(8c)의 일단은, 입력 단자(T2)에 접속됨과 함께, 자기 센서 소자(8d)의 일단에 접속되어 있다. 입력 단자(T2)는, 공통 전위점에 접속되어 있다.
도 5의 회로 구성에 의해, 출력 단자(T3)에는, 자기 센서 소자(8a)와 자기 센서 소자(8d)의 접속점의 중점 전위(V1)가 출력된다. 출력 단자(T4)에는, 자기 센서 소자(8b)와 자기 센서 소자(8c)의 접속점의 중점 전위(V2)가 출력된다.
도 6은 본 개시의 일 실시형태에 기초하는 전류 센서의 다른 실시예의 구성을 나타내는 설명도이다. 도 6에서는, 도 1의 실시예에, 위치 어긋남 오차 측정에 사용되는 좌표축이 추기되어 있다.
도 7은 위치 어긋남 오차 측정에 사용되는, 본 개시의 일 실시형태에 기초하는 전류 센서의 회로의 예를 나타낸다. 도 7에서는, 도 5와 공통되는 부분에는 동일한 부호를 붙이고 있다. 도 7에 나타내는 바와 같이, 브리지 회로의 출력 단자(T3)는, 복수의 연산 증폭기를 포함하는 계장 앰프(AMP)의 비반전 입력 단자에 접속되어 있다. 출력 단자(T4)는, 계장 앰프(AMP)의 반전 입력 단자에 접속되어 있다.
계장 앰프(AMP)의 출력 단자는, 장치 전체(전류 센서)의 출력 단자(T5)에 접속되어 있다. 입력 단자(T2)는, 자기 센서 소자(8c)와 자기 센서 소자(8d)의 접속점 및 공통 전위점에 접속되어 있다. 또한, 입력 단자(T2)는, 장치 전체의 출력 단자(T6)에 접속되어 있다.
도 6 및 도 7에 나타내는 구성에서는, 전선(9)에 전류가 흐르면, 4개의 자기 센서 소자(8a~8d)의 자기 특성은, 그 전류의 크기 및 바이어스 자계 방향에 따라 변화한다. 그 결과, 브리지 회로를 구성하는 각 자기 센서 소자(8a~8d)에 있어서의 전압 강하의 크기가 변화한다. 이들 전압 강하의 크기의 변화에 따라, 브리지 회로의 중점 전위(V1)와 중점 전위(V2)는, 정부(正負) 역방향으로 변화한다. 각 자기 센서 소자(8a~8d)의 특성이 전부 동등하다고 하면, 브리지 회로의 출력 전압은, 1개의 자기 센서 소자에서 측정한 경우와 비교하여 4배가 된다.
본 개시의 일 실시형태에 기초하는 전류 센서와 전선(9)의 상대 위치가 어긋난 경우에 대해 검토한다. 전류 센서와 전선(9)의 상대 위치가 어긋났을 때, 각 자기 센서 소자(8a~8d) 중, 전선(9)과의 거리가 멀어지는 자기 센서 소자에 있어서의 자기 특성의 변화는 작아진다. 한편, 그 거리가 가까워지는 자기 센서 소자에 있어서의 자기 특성의 변화는 커진다. 본 개시의 일 실시형태에 기초하는 전류 센서에서는, 소정의 방향으로 바이어스 자계가 인가되어 있다. 이에 의해, 전선(9)이 기판과 동일한 면내의 어느 방향으로 어긋난 경우에도, 브리지 회로의 중점 전위(V1)와 중점 전위(V2)는, 정부 동일한 방향으로 변화한다. 이 때문에, 브리지 회로의 출력 전압은 거의 변화하지 않는다.
도 8은, 도 7의 회로 구성에 의한, 전류 센서와 전선(9)의 상대적인 위치 어긋남에 의한 오차(위치 어긋남 오차)의 측정 결과의 예를 나타낸다. 도 8에서는, 가로축은, 전선(9)과 전류 센서의 상대적인 위치 어긋남의 거리를 나타내고, 세로축은, 측정 오차의 크기를 나타내고 있다. 이 측정에서는, 자기 센서 소자(8a~8d)로서, 나노그래뉼러막 및 연자성 박막을 포함하는 자기 저항 소자를 사용하였다. 이웃하는 자기 센서 소자(8a~8d)간의 직선 거리를 23mm로 하였다. 계장 앰프(AMP)의 출력 전압을 측정하였다.
도 8의 측정 결과에 의하면, 본 개시의 일 실시형태에 기초하는 전류 센서의 측정 오차는, 전류 센서와 전선(9)의 상대 위치가 5mm 어긋난 경우에도 1.5% 이하이다. 한편, 1개의 자기 센서 소자에서만 측정한 경우, 상대 위치가 5mm 어긋나면, 측정 오차는 19.8%가 된다.
이 점에서, 분명하게, 본 개시의 일 실시형태에 기초하는 전류 센서에서는, 종래의 전류 센서와 비교하여, 전류 센서와 전선(9)의 상대 위치가 5mm 어긋난 경우에 있어서의 측정 오차가 1/13로 저감된다. 즉, 본 개시의 일 실시형태에 기초하는 전류 센서는, 위치 어긋남 오차를 저감시키는 효과를 갖는다.
본 개시의 일 실시형태에 기초하는 전류 센서에 지자기와 같은 고른 자계가 인가된 경우에 대해 검토한다. 이 경우, 4개의 자기 센서 소자(8a~8d)의 자기 특성은, 그 자계의 크기 및 바이어스 자계 방향에 따라 변화한다. 브리지 회로 내에서는, 각 자기 센서 소자(8a~8d)에 있어서의 전압 강하의 크기가 변화한다. 그들 전압 강하의 크기의 변화에 의해, 도 5에 나타내는 중점 전위(V1)와 중점 전위(V2)가 정부 같은 방향에서 같은 크기로 변화한다. 이 때문에, 브리지 회로의 출력 전압의 변화는 거의 발생하지 않는다.
또한, 본 개시의 일 실시형태에 기초하는 전류 센서에서는, 주위의 온도가 변화한 경우, 자기 센서 소자(8a~8d)의 자기 특성이 변화한다. 그 경우, 모든 자기 센서 소자(8a~8d)의 자기 특성은, 동일 방향으로 변화한다. 이 때문에, 도 5에 나타내는 중점 전위(V1)와 중점 전위(V2)가 정부 같은 방향에서 변화한다. 이 때문에, 브리지 회로의 출력 전압의 온도 변화에 의한 오프셋은 거의 발생하지 않는다.
한편, 상기 실시예에서는, 자기 센서 소자(8a~8d)의 일례로서, 나노그래뉼러막 및 연자성막을 포함하는 자기 저항 소자가 사용되고 있다. 자기 센서 소자(8a~8d)는, 이에 한정되지 않고, 자계의 인가에 대해 전기적 저항이 변화하는 이방성 자기 저항 소자(AMR), 거대 자기 저항 소자(GMR) 및 터널 자기 저항 소자(TMR) 등의 자기 저항 소자여도 된다. 또한, 자기 센서 소자(8a~8d)는, 예를 들어, 자계의 인가에 대해 전기적 임피던스가 변화하는 연자성 재료에 의해 구성되는 어모퍼스 와이어 혹은 박막으로 이루어지는 자기 임피던스 소자여도 된다.
또한, 영구 자석(10)은, 사마륨 및 코발트를 주성분으로 하는 사마륨ㆍ코발트 자석이어도 된다. 또한, 영구 자석(10)은, 예를 들어, 네오디뮴, 철 및 붕소를 주성분으로 하는 네오디뮴 자석, 산화철을 주성분으로 하는 페라이트 자석, 알루미늄, 니켈, 코발트 및 철을 주성분으로 하는 알니코 자석, 철, 크롬 및 코발트를 주성분으로 하는 자석이어도 된다.
또한, 상기 실시예에서는, 자기 센서 소자(8a~8d)에 대하여, 바이어스 자계를 영구 자석(10)에 의해 인가하는 방법을 설명하였다. 바이어스 자계의 인가에 대해서는, 자기 센서 소자(8a~8d)의 감자 방향에 대하여, 소정의 크기의 바이어스 자계가 인가되면 된다. 영구 자석의 위치 및 개수에 대해서는, 상기 실시예에 한정되지 않는다.
도 3의 실시예에서는, 사용되는 바이어스 자계 강도가 20 Oe 정도였다. 이 때문에, 영구 자석(10)이 비자성의 센서 기판(11)에 직접 장착되어 있다. 수 Oe 정도의 저바이어스 자계를 인가하는 경우, 도 9에 나타내는 바와 같이, 영구 자석(10)은, 연자성재로 구성된 연자성 구조체(장착 부재)(14)를 개재하여 비자성의 센서 기판(11)에 장착되어도 된다. 도 9의 실시예에서는, 영구 자석(10)의 양 자극면의 적어도 일부가 연자성 구조체(14)로 덮여 있다. 이에 의해, 양 자극면이 연결된 상태에서 바이어스 자계가 인가된다. 한편, 도 9에서는, 자기 센서 소자(8a~8d) 중, 자기 센서 소자(8a)만을 나타내고 있다.
도 10A~F도, 본 개시의 일 실시형태에 따른 다른 실시예의 구성을 나타내는 설명도이다. 도 10A~C에 나타낸 실시예는, 비자성 스페이서가 형성되어 있지 않은 구성이다. 도 10A는 이 실시예의 상면도이다. 도 10B는 이 실시예의 측면도이다. 도 10C는 이 실시예의 저면도이다. 도 10D~F에 나타낸 실시예는, 비자성 스페이서가 형성되어 있는 구성이다. 도 10D는 이 실시예의 상면도이다. 도 10E는 이 실시예의 측면도이다. 도 10F는 이 실시예의 저면도이다.
도 10B에 나타내는 바와 같이, 비자성 재료로 이루어지는 센서 기판(11)의 일방의 면(상면)에는, 자기 센서 소자(감자 소자)(8a~8d)가, 그 자극 방향이 감자 방향 A에 대해 평행이 되도록 배치되어 있다. 한편, 도 10A~F에서는, 자기 센서 소자(8a~8d) 중, 자기 센서 소자(8a)만을 나타내고 있다. 자기 센서 소자(8a~8d)의 양단에는, 배선 패드(12 및 13)가 형성되어 있다. 센서 기판(11)의 타방의 면(하면)에는, ㄷ자형으로 성형된 연자성 구조체(14)의 연결부(14a)가 고착되어 있다. 연자성 구조체(14)의 개구부(14b)에는, 영구 자석(벌크 자석)(10)의 양 자극의 자계 방향이 감자 방향 A에 대해 동일하여 평행한 상태가 되도록 영구 자석(10)의 양 자극면의 일부가 감합되어 있다.
도 10E에 나타내는 바와 같이, 센서 기판(11)과 연자성 구조체(14)의 연결부(14a) 사이에는, 비자성 재료로 이루어지는 스페이서(15)가 형성되어 있어도 된다.
여기서, 자기 센서 소자(감자 소자)(8a~8d)는, 인가 자계에 대해 선대칭이 되는 출력 특성을 갖는다고 한다. 영구 자석(10)은, 자기 센서 소자(8a~8d)에 대해 바이어스 자계를 인가하도록 기능한다. 연자성 구조체(14)는, 영구 자석(10)의 양 자극면의 적어도 일부를 덮는다. 이에 의해, 연자성 구조체(14)는, 영구 자석(10)의 양 자극면을 연결하도록 기능한다.
도 11A~F도, 본 개시의 일 실시형태에 따른 다른 실시예의 구성을 나타내는 설명도이다. 도 11A~C에 나타낸 실시예는, 비자성 스페이서가 형성되어 있지 않은 구성이다. 도 11A는 이 실시예의 상면도이다. 도 11B는 이 실시예의 측면도이다. 도 11C는 이 실시예의 저면도이다. 도 11D~F에 나타낸 실시예는, 비자성 스페이서가 형성되어 있는 구성이다. 도 11D는 이 실시예의 상면도이다. 도 11E는 이 실시예의 측면도이다. 도 11F는 이 실시예의 저면도이다.
도 11B에 나타내는 바와 같이, 비자성 재료로 이루어지는 센서 기판(11)의 일방의 면(상면)에는, 자기 센서 소자(8a~8d)가, 그 자극 방향이 감자 방향 A에 대해 평행이 되도록 배치되어 있다. 한편, 도 11A~F에서는, 자기 센서 소자(8a~8d) 중, 자기 센서 소자(8a)만을 나타내고 있다. 자기 센서 소자(8a~8d)의 양단에는, 배선 패드(12 및 13)가 형성되어 있다. 센서 기판(11)의 타방의 면(하면)에는, ㄷ자형으로 성형된 연자성 구조체(14)의 연결부(14a)에 인접하는 일방의 측면부가 고착되어 있다. 이 실시예의 연자성 구조체(14)는, 도 10B의 상태로부터 90°회전된 상태에 있다. 연자성 구조체(14)의 개구부(14b)에는, 영구 자석(10)의 양 자극의 자계 방향이 감자 방향 A에 대해 동일하여 평행한 상태를 유지하도록 영구 자석(10)의 양 자극면의 일부가 감합되어 있다.
도 11E에 나타내는 바와 같이, 센서 기판(11)과 연자성 구조체(14)의 연결부(14a) 사이에는, 비자성 재료로 이루어지는 스페이서(15)가 형성되어 있어도 된다.
도 12A~F도, 본 개시의 일 실시형태에 따른 다른 실시예의 구성을 나타내는 설명도이다. 도 12A~C에 나타낸 실시예는, 비자성 스페이서가 형성되어 있지 않은 구성이다. 도 12A는 이 실시예의 상면도이다. 도 12B는 이 실시예의 측면도이다. 도 12C는 이 실시예의 저면도이다. 도 12D~F에 나타낸 실시예는, 비자성 스페이서가 형성되어 있는 구성이다. 도 12D는 이 실시예의 상면도이다. 도 12E는 이 실시예의 측면도이다. 도 12F는 이 실시예의 저면도이다.
도 12B에 나타내는 바와 같이, 비자성 재료로 이루어지는 센서 기판(11)의 일방의 면(상면)에는, 자기 센서 소자(8a~8d)가, 그 자극 방향이 감자 방향 A에 대해 평행이 되도록 배치되어 있다. 한편, 도 12A~F에서는, 자기 센서 소자(8a~8d) 중, 자기 센서 소자(8a)만을 나타내고 있다. 자기 센서 소자(8a~8d)의 양단에는, 배선 패드(12 및 13)가 형성되어 있다. 센서 기판(11)의 타방의 면(하면)에는, 영구 자석(10)의 양 자극이 감자 방향 A에 대해 동일한 자계 방향에서 평행한 상태를 유지하도록 영구 자석(10)의 단면이 고착되어 있다. 이 실시예에서는, 연자성 구조체(14)는, 도 10B의 상태로부터 180°회전된 상태에 있다. 연자성 구조체(14)의 연결부(14a)는, 저면으로서 노출되어 있다.
도 12E에 나타내는 바와 같이, 센서 기판(11)과 연자성 구조체(14)의 개구부(14b) 사이에는, 비자성 재료로 이루어지는 스페이서(15)가 형성되어 있어도 된다.
도 13A~F도, 본 개시의 일 실시형태에 따른 다른 실시예의 구성을 나타내는 설명도이다. 도 13A~C에 나타낸 실시예는, 비자성 스페이서가 형성되어 있지 않은 구성이다. 도 13A는 이 실시예의 상면도이다. 도 13B는 이 실시예의 측면도이다. 도 13C는 이 실시예의 저면도이다. 도 13D~F에 나타낸 실시예는, 비자성 스페이서가 형성되어 있는 구성이다. 도 13D는 이 실시예의 상면도이다. 도 13E는 이 실시예의 측면도이다. 도 13F는 이 실시예의 저면도이다.
도 13B에 나타내는 바와 같이, 비자성 재료로 이루어지는 센서 기판(11)의 일방의 면(상면)에는, 자기 센서 소자(8a~8d)가, 그 자극 방향이 감자 방향 A에 대해 평행이 되도록 배치되어 있다. 한편, 도 13A~F에서는, 자기 센서 소자(8a~8d) 중, 자기 센서 소자(8a)만을 나타내고 있다. 자기 센서 소자(8a~8d)의 양단에는, 배선 패드(12 및 13)가 형성되어 있다. 센서 기판(11)의 타방의 면(하면)에는, ㄷ자형으로 성형된 연자성 구조체(14)가 배치되어 있다. 연자성 구조체(14)의 개구부(14b)에는, 영구 자석(10)의 양 자극의 자계 방향이 감자 방향 A에 대해 직교하도록 영구 자석(10)의 양 자극면의 일부가 감합되어 있다. 이 실시예에서는, 연자성 구조체(14)는 도 10B의 상태로부터 반시계 방향으로 90°회전된 상태에 있다.
도 13E에 나타내는 바와 같이, 센서 기판(11)과 연자성 구조체(14) 사이에는, 비자성 재료의 스페이서(15)가 형성되어 있어도 된다.
이들 도 10A~F 내지 도 13A~F의 구성에서는, 영구 자석(10) 및 연자성 구조체(14)의 배치 방법이 다르다. 이 때문에, 자기 센서 소자(8a~8d)에 인가되는 자계의 강도도 각각 다르다. 이들 구성에서는, 단체의 영구 자석(10)을 사용한 경우(연자성 구조체(14)를 사용하지 않는 경우)의 자계보다 약한 바이어스 자계가 자기 센서 소자(8a~8d)에 인가된다.
도 14A~F는, 비자성 스페이서(15)의 효과를 확인하기 위한 자기 검출 장치의 구성을 나타내는 설명도이다. 한편, 자기 센서 소자(8a~8d)로서, 나노그래뉼러막 및 연자성 박막을 포함하는 터널 자기 저항 소자가 사용되어 있다. 비자성 스페이서(15)로서, 두께 0.5mm의 석영판이 사용되어 있다. 또한, 자기 센서 소자(8)가 형성되는 센서 기판(11)의 두께도 0.5mm이다.
도 15도, 본 개시의 일 실시형태에 따른 다른 실시예의 구성을 나타내는 설명도이다. 이 실시예에서는, 도 1에 나타낸 실시예에 있어서, 전류 센서의 기판(7)을 절삭 홈(7a)의 길이 방향을 따라 단축하고 있다. 도 15에서는, 도 1과 공통되는 부분에는 동일한 부호를 붙이고 있다. 도 15에 나타내는 바와 같이, 기판(7) 상에는, 4개의 자기 센서 소자(8a~8d)가 피측정 전류가 흐르는 전선(9)을 중심으로 한 원의 원주 상에 배치되어 있다. 자기 센서 소자(8a~8d)는, 그들의 감자 방향이, 그 원의 접선 방향을 향하도록, 또한, 자기 센서 소자(8a~8d)가, 절삭 홈(7a)의 길이 방향을 단변으로 하고, 전선(9)을 중심으로 하는 원에 내접하는 장방형의 각 정점에 위치하도록 배치되어 있다. 이 실시예에 있어서의 바이어스 자계의 인가 및 검출 회로 등에 대해서는, 도 1에 나타낸 실시예와 동일하다.
도 15의 구성에서는, 자기 센서 소자(8a~8d)의 배치를 변경함으로써, 기판(7)의 길이(L)를 도 1의 구성보다 짧게 할 수 있다. 그 결과, 전류 센서를 소형화할 수 있다. 이에 의해, 분전반 내 등의 전류 센서의 설치 스페이스가 작은 장소에서의 전류 측정이 용이해진다.
도 16도, 본 개시의 일 실시형태에 따른 다른 실시예의 구성을 나타내는 설명도이다. 이 실시예에서는, 전선(9)이 직사각형의 단면 형상을 갖는 버스 바이다. 도 16에 나타내는 바와 같이, 기판(7)은, 그 기판면이 피측정 전류에 대해 수직인 면과 평행이 되도록 설치되어 있다. 기판(7) 상에는, 4개의 자기 센서 소자(8a~8d)가, 피측정 전류가 흐르는 전선(9)을 둘러싸는 타원의 원주 상에 배치되어 있다. 자기 센서 소자(8a~8d)는, 그 감자 방향이, 그 타원의 접선 방향을 향하도록, 또한, 자기 센서 소자(8a~8d)가, 그 타원에 내접하는 장방형의 각 정점에 위치하도록 배치되어 있다. 타원의 원주를 따라 이웃하는 자기 센서 소자(8a~8d)끼리에 인가되는 바이어스 자계의 방향은, 그 타원의 원주를 따라 서로 역방향이다. 한편, 이 실시예에서는, 바이어스 자계의 인가 방법 및 검출 회로는, 도 1의 실시예와 동일하다.
버스 바에 흐르는 전류의 측정에 관하여, 이 전류에 의해 발생하는 자계는 타원상을 그린다. 그 때문에, 도 1에서 나타낸 바와 같이, 자기 센서 소자(8a~8d)가 원형으로 배치된 상태에서는, 감자 방향이 발생 자계의 방향에 거의 접하지 않는다. 이 때문에, 전류의 검출 감도가 작아진다. 이에, 도 16에 나타내는 바와 같이, 자기 센서 소자(8a~8d)의 배치를 타원상으로 함으로써, 버스 바로부터 발생하는 자계를 양호한 감도로 측정할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 개시의 일 실시형태에 의하면, 저소비 전력으로, 고감도 특성을 갖고, 소형이면서 또한 간소한 구조를 갖고, 위치 어긋남 오차를 저감시킬 수 있음과 함께, 비교적 저렴한 자기 센서 소자를 사용한 전류 센서를 실현할 수 있다.
이상과 같이, 본 개시의 일 실시형태는, 전선을 흐르는 전류의 크기를 비접촉으로 검출할 수 있어, 전류 센서와 전선의 상대 위치가 변화한 경우에도 측정 오차를 저감시킬 수 있는 고감도의 전류 센서에 관한 것이다. 한편, 본 개시의 일 실시형태에 있어서의 전선은, 버스 바 등의 원형 이외의 단면 형상을 갖는 것도 포함한다.
또한, 본 개시의 일 실시형태에 따른 전류 센서는, 이하의 제1~제4 전류 센서여도 된다. 제1 전류 센서는, 자계의 크기를 전기적 신호로 변환하여 출력하는 자기 센서 소자를 사용한 전류 센서에 있어서, 자기 특성 곡선이 선대칭형의 4개의 자기 센서 소자에 의해 형성된 브리지 회로와, 상기 각 자기 센서 소자에 대해 바이어스 자계를 인가하는 바이어스 자계 인가 수단으로 구성되고, 상기 자기 센서 소자는, 피측정 전류에 대해 직교하는 면내에 배치되어 있다.
제2 전류 센서는, 제1 전류 센서에 있어서, 상기 자기 센서 소자는, 자계의 인가에 대하여, 전기적 저항이 변화하는 자기 저항 소자 혹은 전기적 임피던스가 변화하는 자기 임피던스 소자이다.
제3 전류 센서는, 제1 혹은 제2 전류 센서에 있어서, 상기 바이어스 자계 인가 수단은, 적어도 영구 자석을 포함한다.
제4 전류 센서는, 제1~제3 중 어느 하나의 전류 센서에 있어서, 상기 자기 센서 소자는, 비자성체로 이루어지는 센서 기판 상에 실장되어 있다.
상기의 상세설명은 사례를 설명하고 상세묘사를 위하여 제시되었다. 상기 제시된 내용에 입각하여 다양한 변형과 변화가 가능하다. 여기서 설명한 대상은 포괄적으로 설명하거나 혹은 개시된 명확한 형태로 제한하고자 의도하지는 않았다. 대상은 구조적 특징 및/또는 방법론적 행위에 있어서 구체적인 언어로 설명되었지만, 첨부된 청구항에서 정의된 대상은 상기 설명된 구체적인 구조 또는 행위에 반드시 제한되는 것은 아니다. 그보다는, 상기 설명된 구체적 구조와 행위는 첨부된 청구항을 실행하기 위한 예시형태로 개시되었다.

Claims (10)

  1. 피측정 전류에 대해 직교하는 면내에 배치되어, 선대칭형의 자기 특성 곡선을 갖고, 자계의 크기를 전기적 신호로 변환하여 출력하는 4개의 자기 센서 소자와,
    상기 4개의 자기 센서 소자를 포함하는 브리지 회로와,
    상기 자기 센서 소자에 바이어스 자계를 인가하는 바이어스 자계 인가 부재를 포함하되,
    상기 브리지 회로는, 그 내부에 피측정 전류가 흐르는 전선이 배치되도록 구성되어 있고,
    상기 4개의 자기 센서 소자는 상기 피측정 전류를 중심으로 한, 원의 원주 상에 배치되고, 상기 자기 센서 소자의 최대 감도를 나타내는 감자 방향이 상기 원의 접선 방향을 향하도록, 상기 자기 센서 소자가 상기 원에 내접하는 정방형의 각 정점에 위치하도록 배치되며, 상기 4개의 자기 센서 소자 중 상기 원의 원주를 따라 이웃하는 자기 센서 소자끼리에 인가되는 바이어스 자기장 방향이 상기 원의 원주를 따라 서로 역방향인 전류 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 자기 센서 소자는, 자계의 인가에 따라 전기적 저항이 변화하는 자기 저항 소자인 전류 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 자기 센서 소자는, 자계의 인가에 따라 전기적 임피던스가 변화하는 자기 임피던스 소자인 전류 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 바이어스 자계 인가 부재가 영구 자석을 포함하는 전류 센서.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자기 센서 소자를 실장하기 위한 비자성체로 이루어지는 센서 기판을 더 갖고 있는 전류 센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 센서 기판의 일방의 면에 상기 자기 센서 소자가 실장되어 있고, 상기 센서 기판의 타방의 면에 상기 바이어스 자계 인가 부재가 배치되어 있는 전류 센서.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 바이어스 자계 인가 부재를 상기 센서 기판에 장착하기 위한 자성재로 구성된 장착 부재를 더 갖고 있는 전류 센서.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이어스 자계 인가 부재는, 그 자극 방향이 상기 자기 센서 소자의 최대 감도를 나타내는 감자 방향과 평행이 되도록 배치되어 있는 전류 센서.
  9. 피측정 전류에 대해 직교하는 면내에 배치되어, 선대칭형의 자기 특성 곡선을 갖고, 자계의 크기를 전기적 신호로 변환하여 출력하는 4개의 자기 센서 소자와,
    상기 4개의 자기 센서 소자를 포함하는 브리지 회로와,
    상기 자기 센서 소자에 바이어스 자계를 인가하는 바이어스 자계 인가 부재를 포함하되,
    상기 브리지 회로는, 그 내부에 피측정 전류가 흐르는 전선이 배치되도록 구성되어 있고,
    상기 4개의 자기 센서 소자는 상기 피측정 전류를 중심으로 한, 타원의 원주 상에 배치되고, 상기 자기 센서 소자의 최대 감도를 나타내는 감자 방향이 상기 타원의 접선 방향을 향하도록, 상기 자기 센서 소자가 상기 타원에 내접하는 장방형의 각 정점에 위치하도록 배치되며, 상기 4개의 자기 센서 소자 중 상기 타원의 원주를 따라 이웃하는 자기 센서 소자끼리에 인가되는 바이어스 자기장 방향이 상기 타원의 원주를 따라 서로 역방향인 전류 센서.
  10. 피측정 전류에 대해 직교하는 면내에 배치되어, 선대칭형의 자기 특성 곡선을 갖고, 자계의 크기를 전기적 신호로 변환하여 출력하는 4개의 자기 센서 소자와,
    상기 4개의 자기 센서 소자를 포함하는 브리지 회로와,
    상기 자기 센서 소자에 바이어스 자계를 인가하는 바이어스 자계 인가 부재를 포함하되,
    상기 브리지 회로는, 그 내부에 피측정 전류가 흐르는 전선이 배치되도록 구성되어 있고,
    상기 4개의 자기 센서 소자는 상기 피측정 전류를 중심으로 한, 원의 원주 상에 배치되고, 상기 자기 센서 소자의 최대 감도를 나타내는 감자 방향이 상기 원의 접선 방향을 향하도록, 상기 자기 센서 소자가 상기 원에 내접하는 장방형의 각 정점에 위치하도록 배치되며, 상기 4개의 자기 센서 소자 중 상기 원의 원주를 따라 이웃하는 자기 센서 소자끼리에 인가되는 바이어스 자기장 방향이 상기 원의 원주를 따라 서로 역방향인 전류 센서.
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