KR19980080610A - 전류 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소형 경량화 되고, 양산성이 우수하고, 프린트 기판에 장착할 수 있으며 필요에 따라 칩 부품화가 가능하고, 외부의 노이즈를 차단할 수 있는 고효율의 전류 센서를 제공하는 것이다. 측정되는 전류가 흐르는 도체, 자성체 박편, 전류 자기 소자로 이루어지고, 도체의 일부에 편평한 볼록부를 제공하고 그 내측 하부에 측정되는 전류에 대하여 수직으로 되도록 전류 자기 소자를 고정하고, 전류에 의해 발생하는 자계를 전류 자기 소자에 수렴시키기 위한 자성체 박편으로 구성되어 있다.

Description

전류 센서

본 발명은 전류 검출기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 측정되는 전류가 흐르는 도체와 일체화하여 구성된 전류 센서에 관한 것이다.

종래에는 측정되는 회로로부터 절연된 상태에서 전류에 비례한 전압 출력을 얻도록 한 전류 검출기로서 자성체로 구성된 폐자기 회로(폐자로라고도 부른다)의 일부에 갭(gap)을 제공하고, 측정되는 전류에 의해 발생한 자계를 갭에 수렴하고, 측정되는 전류에 비례하는 출력 전압은 갭 내에 설치된 홀 소자 등의 전류 자기 소자에 의해 발생하며 이와 같이 발생된 전압을 다양한 용도로 이용하는 전류 센서 또는 변류기를 이용한 검류기가 널리 알려져 있다.

이러한 전류 센서를 마이크로 일렉트로닉스의 분야에도 적용할 필요성이 높아가고 있다. 즉, 전류 센서를 프린트 기판에 설치하여 측정되는 전류를 검출하거나 또는 전류 센서를 칩 부품화하는 것이 요구되고 있다.

이미 알려진 바와 같이, 현재 실용화되어 있는 홀 소자는 매우 소형이지만, 그 전류 검출부에 갭을 갖는 자심을 이용하기 때문에 전류 센서로는 경량화 및 소형화가 극히 곤란하고 칩 부품화할 수 없었다.

본 발명의 일 목적은 상술한 결점을 배제하며 소형화 및 경량화된 고효율의 전류 센서를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 양산성이 우수하고, 프린트 기판에 장착할 수 있으며 칩 부품화가 가능한 전류 센서를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated gate bipolar transistor)등의 고주파 전압 또는 고주파 전류의 변화에 의해 발생되는 외부의 노이즈를 차단할 수 있는 전자식 전류 센서를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 전류 센서의 원리를 설명하기 위한 사시도이다.

도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 전류 센서의 측면도이다.

도 3은 도 1의 A-A 선으로 자른 본 발명의 전류 센서의 원리에 있어서 자기 감지부의 사시도이다.

도 4는 도 1의 B-B 선으로 자른 본 발명의 전류 센서의 변형례를 나타내는 단면도이다.

도 5는 본 발명의 전류 센서의 제1 실시예를 설명하기 위한 사시도이다.

도 6은 본 발명의 전류 센서의 제2 실시예를 설명하기 위한 사시도이다.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1, 1′, 1a, 1b : 도체

2, 2′ : 자성체 박편

3, 3′ : 홀 소자 등의 전류 자기 소자

5 : 도체를 비스에 고정하기 위한 갭

6 : 증폭 회로가 내장된 프린트 기판

7, 7a : 증폭 회로가 내장된 프린트 기판의 단자

8, 8a : 도체를 프린트 기판에 제공하기 위하여 단자 형상으로 가공한 부분

9 : 케이스

9a : 절연 충전제

10, 10a : 도체

상술한 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 측정되는 전류가 흐르는 도체, 상기 도체의 일부에 형성된 볼록부, 상기 볼록부의 내측 하방에 흐르는 전류 방향과 수직이 되도록 형성된 전류 자기 소자 및 상기 도체, 볼록부 및 전류 자기 소자를 서로 고정하며 일체화하기 위한 자성체 박편을 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 센서를 제공한다.

또한, 도체, 전류 자기 소자 및 자성체 박편 사이의 홀을 에폭시 수지 등으로 접착 고정하여 압지력(grasped power)을 보강함과 동시에 도체와 전류 자기 소자 간에 전기적인 절연도를 강화할 수 있도록 한다.

또한, 상기 전류 자기 소자를 홀 소자(Hall element)로 형성한다. 또한, 상기 전류 자기 소자를 홀 IC(Hall Integrated Circuit) 또는 자기 저항으로 형성한다.

상술한 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 측정되는 전류가 흐르는 도체, 상기 도체의 일부분에 형성된 볼록부, 상기 볼록부의 하방 내측에 흐르는 전류 방향과 수직이 되도록 상기 볼록부에 형성된 전류 자기 소자, 및 상기 도체, 볼록부 및 전류 자기 소자를 서로 고정하여 일체화하기 위한 자성체 박편을 포함하는 전류 센서부, 입출력 단자 및 증폭회로를 포함하며 상기 전류 센서 유니트를 탑재한 프린트 기판, 그리고 다른 프린트 회로 기판에 형성된 센서를 탑재하기 위하여 상기 도체의 양단에 제공되는 입출력 단자용 튜브를 포함하며 증폭기를 갖는 것을 특징으로 하는 전류 센서를 제공한다.

본 발명에 의하면, 측정되는 도체의 중간에 협폭부를 설정하고, 이 협푹부를 편평한 볼록부가 되도록 구성함으로써 전류에 의해 발생된 돌출부 부근의 자계 분포는 도체의 광폭부의 주변에 발생한 자계 분포 상태와는 다르고, 국부적으로 감소된다. 따라서, 자속 밀도가 높은 자계 분포로 된다. 또한 자성체 박편으로써 홀 소자(hall element)를 포함하고 있기 때문에 자속이 더욱 수렴되게 된다. 따라서, 측정 감도를 현저하게 향상시킬 수 있다.

따라서, 홀 소자의 자기 감지부를 통과하는 자속 밀도는 전기적으로 폐회로를 구성하는 홀 소자의 입출력 단자부 부근을 통과하는 자속 밀도에 비교하여 극히 높게 되고 따라서 자속 변화에 의해 발생하는 상기 입출력 단자부에 의한 유도 전압은 홀 소자의 자기 감지부에 의해 얻어지는 유기 전압에 비하여 현저하게 작은 것으로써 입출력 단자부로부터의 유도 전압에 의한 노이즈 교란(dΦ/dt)은 극히 적게 된다. 따라서, 측정 감도가 우수한 전류 검출기를 얻을 수 있다.

도체로서 사용하는 전류 밀도에 적합한 단면적을 갖는 판상의 도체를 사용하여 프린트 기판에의 장착을 용이하게 함과 동시에 편평한 볼록부를 형성하기 위하여 도체를 장방향으로 구부리지 않기 때문에 본 발명에 의한 전류 검출기는 단순한 구조로 되고 따라서 제작이 용이하고 염가로 제조할 수 있다.

또한, 도체의 중간부에 형성된 협폭부에 있어서의 전류 밀도는 도체의 다른 부분의 광폭부에 있어서의 전류 밀도 보다 높기 때문에, 통전에 의한 열 발생도 크게 되지만 협폭부 이외의 도체 부분이 광폭하기 때문에 흡열기로서 작용하여 열 확산이 양호하게 되고, 도체는 협폭부를 포함하여 판상으로 편평하기 때문에 표면적이 커서 이것에 의하여도 열 확산이 크기 때문에, 협폭부가 이상 발열할 위험성이 전혀 없다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 부제에 대하여는 동일한 참조부로 나타낸다.

도 1은 본 발명의 전류 센서의 원리를 설명하기 위한 사시도를 나타낸 것이다. 도 1을 참조하면, 측정되는 전류가 흐르는 도체(1)는 예를 들면 동으로 제조하며, 동일하게 동으로 제조한 협폭부(1a)를 상기 도체의 중앙부에 형성하며, 그리고 상기 협폭부(1a)를 편평한 볼록부로 구성한다. 상기 볼록부의 하부 내측에 홀 소자 등의 전류 자기 소자(3)를 배치하고, 홀 소자 등의 전류 자기 소자(3)를 안장 상으로 가공된 자성체 박편(2)을 사이에 끼우고 보강하여 도체와 일체로 구성한다. 이 도체(1)는 편평한 박판, 예를 들면 길이가 대략 5cm, 폭이 대략 10mm, 두께가 대략 2mm의 박판을 상기 볼록과 동시에 스탬핑(stamping) 처리하여 형성한다. 이 때, 협폭부는 그 길이는 대략 8 내지 10mm이고, 폭은 대략 2 내지 3mm로 한다. 상기 전류 자기 소자(3)는 예를 들면 홀 소자, 홀 IC 또는 자기 저항(magnetoresistor) 등으로 구성할 수 있고, 또한 상술한 바와 같이 소형으로 제작한다. 본 실시예에서와 같이 예를 들면 에폭시 수지와 같은 절연성 재료 내에 매설하여 외부 압력으로부터 보호할 수 있도록 할 수 있다.

한편, 도체에 흐르는 전류의 상태에 의해 홀 소자 등의 전류 자기 소자(3)의 입출력 단자부(4)에 노이즈가 유도되어 전류 자기 소자(3) 자체에 의해 전류 변환된 출력이 노이즈 교란을 받는 경우가 있다. 따라서, 본 발명에서는 홀 소자 등의 전류 자기 소자(3)의 입출력 단자(4)의 에폭시 수지 등의 절연 보호재로부터 도출된 부분(소위 기저 부분)이 도 2에 도시한 바와 같이 도체(1)의 저면보다 상방으로 위치하도록 도체 볼록부(1a)의 높이를 정함으로써 전류 노이즈의 교란 효과를 감소시키고, 또한 외부 자계에 의한 영향도 감소시키고자 하는 것이다.

또한, 본 발명에서는 도체(1)의 양단 부근에 관통 홀부(5)를 설정하여, 전류 센서부를 갖는 도체(1)를 다른 도체에 스크류-고정(screw-held) 수단으로 고정시킬 수 있도록 함으로써, 칩 부품으로서의 사용 목적 이외의 목적, 예를 들면 션트 저항(shunt resistor)으로 사용할 수 있어 전류 측정에도 대응할 수 있다.

도 3은 도 1의 A-A선상의 단면을 나타내는 본 발명의 전류 센서의 사시도를 도시한 것이다. 본 실시예에서는 도체(1), 자성체 박편(2), 전류 자기 소자(3)의 각 접촉부의 공간은 에폭시 수지 등의 절연재에 의해 접착 고정한 것으로 한다.

도 4는 도 1 내지 도3에 도시된 본 발명의 전류 센서의 변형례를 나타낸다. 본 예에서는 예를 들면, 플라스틱과 같은 절연 재료로 형성된 정사각형 단면 또는 장방형 단면을 갖는 빈 케이스(9), 즉 저면이 없는 케이스를 설치하고, 이 케이스(9)내에 홀 소자 등의 전류 자기 소자(3)를 수용하고, 예를 들면 에폭시 수지 등의 절연 충전제에 의해 고착하고, 이 케이스(9)를 도 1에 대해 설명한 방식과 마찬가지로 도체(1)의 볼록부의 하측에 자성체 박편(2)에 의해 고착한다.

따라서, 전류 자기 소자(3)의 외압 특성을 현저하게 향상시킬 수 있다. 이 경우, 케이스(9)의 외측과 도체 협폭부(1a)와의 사이에는 갭이 형성되도록 한다. 이외의 다른 점은 도 1에 대해 설명한 전류 센서의 경우와 거의 동일하기 때문에, 이의 상세한 설명은 생략한다.

본 예의 전류 센서에 의하면, 도체(1)의 전류 변화에 의한 자속 변화에 의해 입출력 단자부(4)에 발생하는 유도 전압에 기인하여 발생하는 노이즈 교란이 도 1에 나타낸 전류 센서의 경우보다도 현저하게 적게 된다.

또한, 전류 자기 소자(3)를 케이스(9)내에 넣음으로써 케이스(9)의 내외의 빈 곳 때문에, 연면 거리(creepage distance)가 증대하여 전기적 절연 내력이 향상된다.

본 발명에 의한 전류 센서의 출력 특성의 일 예를 하기 표 1에 나타낸다. 표 1에 명백하게 나타난 바와 같이, 도체(1)로 흐르는 전류를 If(A), 전류 자기 소자(3)의 출력을 Vh(mV)라 가정하면 100A/34.07mV의 전류 센서가 얻어진다.

If(A)	0	10	20	30	40	50
Vh(mV)	0.04	3.47	6.84	10.36	13.65	17.06
If(A)	60	70	80	90	100
Vh(mV)	18.3	23.86	27.26	30.67	34.07

또한, 각 전류 센서간의 분산은 If=100A의 시에는 34.07mV±8%의 범위에 있고, 따라서 충분하게 실용화할 수 있고, 응답 속도도 1μsec로 고속의 전류 변화에 대응할 수 있는 전류 센서인 것이 확인되었다.

본 발명의 전류 센서의 출력은 상기 표 1에 나타낸 데이터와 같이 mV의 단위이고, 이용하는 전기 회로에 따라서는 출력을 증폭하고, 동시에 증폭율을 조정하여 출력 전압의 정밀도를 ±1%이하로 하는 것이 필요한 경우가 있다.

도 5는 본 발명의 전류 센서의 실시예를 나타낸다. 본 실시예에서는 상술한 바와 같이 이용하는 전기 회로의 종류에 따라서는 출력을 증폭할 필요가 있는 것에 대응시켜, 증폭 회로와 조합시킨 전류 센서를 제공한다. 즉, 도 1 및 도 2에 나타내는 전류 센서 유니트와 예를 들면 증폭기가 설정된 프린트 기판(6)상에 설치하여 고착 일체화하여 증폭기부 전류 검출기를 구성함으로써 전류 센서의 칩 부품화를 가능하게 한다.

즉, 본 실시예에서는, 증폭기의 전류 회로 및 전류 변환 출력용 복수의 단자(7)를 프린트 기판(6)에 설치한다. 증폭기로서는 일반적으로 이미 알려진 것을 사용하면 좋고, 이들 각종의 회로 소자, 예를 들면 가변 저항(VR), 연산 증폭기(OA), 다이오드(D), 저항(R) 및 콘덴서(C)등을 이미 알려진 바와 같이, 적정하게 배치하여 프린트 기판(6)상에 설치하면 좋고, 따라서, 증폭기 자체의 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 실시예에서는 이 증폭기부 전류 센서를 이용하는 다른 프린트 회로판에 재탑재가 가능하게 되도록 측정되는 전류가 흐르는 도체(1)의 양단에 단자상으로 가동되는 핀 형상의 탭(tab)부(8)가 설정된다.

이러한 경우에 프린트 기판(6)의 단자(7)는 프린트 기판(6)에서 하방으로 도출됨과 동시에 도체(1)의 양단부에 설정된 핀 형상의 탭부(8)도 단자(7)와 평행하게 하방으로 돌출시킨다. 이러한 방식으로 이들 단자(8 및 7)를 칩 부품용으로 변경함으로써 본 발명의 전류 검출기는 용이하게 칩 부품화할 수 있는 것은 물론이다.

또한, 도 6에 나타낸 본 발명의 전류 센서의 다른 실시예에서는 편평한 도체(10)에 협폭부(10a)를 설정함과 동시에 상기 협폭부(10a)를 도 1에 나타낸 바와 같이 도체(10)의 평면에 대하여 상방으로 돌출시켜 볼록부를 형성하고, 이 볼록부의 내측에 전류 자기 소자(3)를 배치하고 자성체 박편(2)으로 끼워 고정시켜 전류 센서 유니트를 구성한다. 이러한 방식으로 구성된 전류 센서 유니트를 프린트 기판(6)에 장착한다. 본 예에서는 편평한 도체(10)의 양단부에 도체의 평면에 평행하게 탭부(8a)를 설정함과 동시에 프린트 기판(6)에도 기판 평면에 평행하게 입출력 단자(7a)를 설정하여 각 단자(7a)를 도체(10)와 거의 동일선상에 배열할 수 있도록 한다. 이러한 방식으로 구성함으로써, 다른 프린트 회로판상에의 실장 면적을 현저하게 감소시킬 수 있다.

본 발명은 상술한 예에만 한정되는 것은 아니고 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 각종의 변형이나 변경이 가능하다.

예를 들면, 상기 도체 협폭 볼록부는 광폭 도체 자체와 일체로 형성하였지만, 협폭 돌출부만을 미리 설정하고, 이것에 전류 자기 소자를 자성체 박편에 의해 고정 일체화한 후, 이 협폭 볼록부의 양단에 별개로 설정한 광폭 도체에, 또는 다른 도체 부분에 예를 들면 납땜이나 용접 등에 의해 고정할 수 있다. 이 경우에는, 협폭 볼록부 및 전류 자기 소자와 자성체 박편과의 고정 일체화 작업이 현저하게 용이하게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 전류 센서는 측정되는 전류가 흐르는 전류 도체와 전류 자기 소자가 일체화되고, 전류 감지부에 자심을 사용하지 않기 때문에 극히 간소한 부품 구성으로 할 수 있고, 소형 경량화가 용이하고, 프린트 기판에 용이하게 장착할 수 있음은 물론, 전류 센서로서 칩 부품화가 가능하고 제조비가 낮고, 양산성이 우수하다.

또한 본 발명의 전류 센서는 마이크로 일렉트로닉스 분야에 적용할 수 있을 뿐만 아니라, 통상의 소형 전기 기기에도 적용할 수 있는 것은 물론이다.

또, 자기 감지부에 대응하는 전류 반송 도체의 부분이 협폭이기 때문에 자속 밀도가 높고, 전류 자기 소자를 유효하게 동작시킬 수 있고, 응답 속도가 빠르고, 고속으로 변화하는 전류의 검출이 가능하다.

또한, 전류 자기 소자가 편평한 도체 볼록부의 내부에 설치되어 있기 때문에 외부로부터 노이즈를 받기 어렵고, 또한 외부 노이즈에 의해 센서 출력이 교란되는 것도 적게 된다.

Claims (8)

1. 측정되는 전류가 흐르는 도체;

   상기 도체의 일부분에 형성된 볼록부;

   상기 볼록부의 하방 내측에 흐르는 전류 방향과 수직이 되도록 형성된 전류 자기 소자; 및

   상기 도체, 볼록부 및 전류 자기 소자를 서로 고정하여 일체화하기 위하여 상기 볼록부에 형성된 자성체 박편을 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 센서.
2. 제1항에 있어서, 상기 도체의 볼록부의 폭이 도체의 다른 부분보다 좁게 형성된 것을 특징으로 하는 전류 센서.
3. 제2항에 있어서, 상기 도체 및 볼록부는 1매의 평판을 스탬핑(stamping)하여 형성한 것을 특징으로 하는 전류 센서.
4. 제2항에 있어서, 상기 도체 및 상기 볼록부를 별개로 형성한 것을 특징으로 하는 전류 센서.
5. 제1항에 있어서, 상기 전류 자기 소자는 홀 소자(Hall element)인 것을 특징으로 하는 전류 센서.
6. 제1항에 있어서, 상기 전류 자기 소자는 홀 IC(Hall Integrated Circuit)인 것을 특징으로 하는 전류 센서.
7. 제1항에 있어서, 상기 전류 자기 소자는 자기 저항(magnetoresistor)인 것을 특징으로 하는 전류 센서.
8. 측정되는 전류가 흐르는 도체, 상기 도체의 일부분에 형성된 볼록부, 상기 볼록부의 하방 내측에 흐르는 전류 방향과 수직이 되도록 상기 볼록부에 형성된 전류 자기 소자, 및 상기 도체, 볼록부 및 전류 자기 소자를 서로 고정하여 일체화하기 위한 자성체 박편을 포함하는 전류 센서부;

   입출력 단자 및 증폭회로를 포함하며 상기 전류 센서 유니트를 탑재한 프린트 기판; 그리고

   다른 프린트 회로 기판에 형성된 센서를 탑재하기 위하여 상기 도체의 양단에 제공되는 입출력 단자용 튜브를 포함하며 증폭기를 갖는 것을 특징으로 하는 전류 센서.