JP2008039734A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】一様な外部磁界を除去すると共に、大電流の測定が可能な、小型かつ設置が容易である電流センサを提供する。
【解決手段】第１および第４の磁気抵抗効果素子と、第２および第３の磁気抵抗効果素子とを特定配置となして接続電流線で接続したブリッジ回路を具備したセンサ基板１２が形成されており、一方では一次導体９に少なくとも１つの開口部を形成し、該開口部を挟んで対向する一対の一次導体９箇所のそれぞれを分流導体１０ａ。１０ｂとなし、これら一対の分流導体１０ａ、１０ｂは、一方の分流導体１０ａの下面と、他方の分流導体１０ｂの上面とが空隙部１１をもって点対称的に配置された形態となされており、該空隙部１１にセンサ基板１２が配置されている構成となす。
【選択図】図１

Description

この発明は、分流した被測定電流線に流れる電流を測定する電流センサおよびその設置方法に関するものである。

従来の分流した被測定電流線に流れる電流を測定するものとしては、一次導体の中央部分に小窓を開口し、中央部位に磁気センサを配置したものがある（例えば、特許文献１参照）。
また、他の一次導体の分流形状として、中央部分に斜めにスリットを入れたものがある（例えば、特許文献２参照）。

従来の電流センサとして、４つの磁気抵抗効果素子からなるブリッジ回路を鏡対称的に配置したものがある（例えば、特許文献３参照）。

特開平８−１３６５８７号公報 特表２００２−５２３７５１号公報 特開平８−２１１１３８号公報

上記特許文献３に開示されている電流センサの一次導体はＵ字型構造で、ブリッジ回路の左右の各ハーフブリッジに逆方向磁界が印加され、一様な外部磁界を除去する利点があるが、大電流測定が困難であり、一般的な直線状導体に対してＵ字型導体は製造工程上なじまないという問題点があった。

大電流の測定には、上記特許文献１または２に開示されている一次導体の分流部における測定が有効である。しかし４つの磁気抵抗効果素子からなるブリッジ回路を有するセンサ基板を分流部に設置する場合、一次導体に対して垂直あるいはある角度をもって設置する必要があるため、一次導体に対する位置決めが容易でなく、また一次導体に対して凸部が生じるという問題点があった。

また、上記特許文献２に開示されているスリット構造での分流構造では、センサ基板を垂直に設置する必要はないものの、一次導体に対して角度を持って設置する必要があり、一次導体に対して凸部が生じるという問題点があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、一様な外部磁界を除去すると共に、大電流の測定が可能な、小型かつ設置が容易である電流センサおよびその設置方法を得ることを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る電流センサは、請求項１に記載したように、設置基板上に配置され、互いに逆方向の磁界の増加に応じて抵抗値が共に増加する磁気抵抗効果特性を有する第１および第４の磁気抵抗効果素子と、上記設置基板上に配置され、互いに逆方向の上記磁界の増加に応じて抵抗値が共に減少する磁気抵抗効果特性を有する第２および第３の磁気抵抗効果素子と、上記設置基板上に配置され、上記第１から第４の磁気抵抗効果素子を接続することにより、上記第１および第２の磁気抵抗効果素子により第１のハーフブリッジ回路、および上記第３および第４の磁気抵抗効果素子による第２のハーフブリッジ回路からなるブリッジ回路を構成する接続電流線とを備えた、上記設置基板の中心線に対して分けられた一方の領域に上記第１のハーフブリッジ回路が配置されると共に、他方の領域に上記第２のハーフブリッジ回路が配置されたセンサ基板、および少なくとも１つの開口部を有する一次導体を備え、一次導体に設けた、上記開口部によって分けられた少なくとも２つの分流導体は、一方の分流導体下面と、他方の分流導体の上面が所定の空隙部をもって点対称的に配置されると共に、上記空隙部に上記センサ基板が略平行に配置されたことを特徴とするものである。

上記発明は、次のように具体化するのがよい。
即ち、請求項２に記載したように、１つの開口部を有する一本の一次導体を備え、一次導体に設けた、上記開口部によって分けられた２つの分流導体は、同一な断面形状を有し、一方の分流導体下面と、他方の分流導体の上面が所定の空隙部をもって点対称的に配置された構成となす。

また請求項３に記載したように、１つの開口部を有する一本の一次導体を備え、一次導体に設けた、上記開口部によって分けられた２つの分流導体は、異なる断面形状を有し、一方の分流導体下面と、他方の分流導体の上面が所定の空隙部をもって配置された構成となす。

また請求項４に記載したように、センサ基板の１部と分流導体の一部を、密着して、あるいは補助部材を介して密着して固定する、少なくとも１つの取付部材を備えた構成となす。

さらには請求項５に記載したように、外乱電界を除去する電界シールドカバーをセンサ基板の上方、または下方、または両方に備えた構成となす。

この発明によれば、設置基板上に４つの磁気抵抗効果素子で、設置基板の中心線に対して分けられた一方の領域に第１のハーフブリッジ回路が配置されると共に、他方の領域に第２のハーフブリッジ回路が配置され、それぞれのハーフブリッジ回路に逆方向の磁界が印加される構造のため、一様な外部磁界を除去すると共に、一次導体を分流構造としたため大電流の測定が可能となり、分流導体の空隙部にセンサ基板を略平行に設置したため一次導体を含めた電流センサの構造が小型で、かつセンサ基板の設置が容易となる効果がある。

<実施の形態１>
図１はこの発明の実施の形態１による電流センサの斜視図、図２はこの発明の実施の形態１による電流センサの平面図、図３は図２の側面図、図４は図２におけるＡＡ断面を示す断面図である。これらの図において、電流センサは、被測定電流検出部１、センサ回路部１５を有するセンサ基板１２と、一次導体９、およびそれらを固定する取付部材１４により構成される。

まず、被測定電流検出部１の構成について説明する。
図５は被測定電流検出部１の平面図を示すもので、設置基板２の中心線３によって２つの領域に分けられ、それぞれの領域に磁気抵抗効果素子４ａ、４ｂ、磁気抵抗効果素子４ｃ、４ｄが線対称に等しく配置される。４つの磁気抵抗効果素子４ａ〜４ｄは、設置基板２の中心線３に対して相互に平行方向に配置され、磁気抵抗効果素子４ａ、４ｄは、互いに逆方向の磁界の増加に応じて抵抗値が共に増加する磁気抵抗効果特性を有するように、また、磁気抵抗効果素子４ｂ、４ｃは、互いに逆方向の磁界の増加に応じて抵抗値が共に減少する磁気抵抗効果特性を有するように、図には省略したが、磁気抵抗効果素子上にはバーバーポール電極構造が形成されている。

なお、４つの磁気抵抗効果素子４はそれぞれ１本で構成したが、クランク形状に複数の磁気抵抗効果素子を接続し、線路長を長く構成してもよい。また、中心線３上の中心点に対して点対称に構成してもよい。

接続電流線６は、４つの磁気抵抗効果素子４間を接続することにより、ブリッジ回路を構成するものである。

図６はこの発明の実施の形態１による電流センサの被測定電流検出部を示す構成概略図であり、図において、４つの磁気抵抗効果素子４間を接続することにより、磁気抵抗効果素子４ａ、４ｂの直列接続からなるハーフブリッジ回路（第１のハーフブリッジ回路）７ａ、磁気抵抗効果素子４ｃ、４ｄの直列接続からなるハーブリッジ回路（第２のハーフブリッジ回路）７ｂの並列接続からなるブリッジ回路８を構成するものである。

接続エリア（第１の接続エリア）５ａは、ブリッジ回路８の磁気抵抗効果素子４ａ、４ｃ間の接続電流線６に接続され、接続エリア（第２の接続エリア）５ｂは、ブリッジ回路８の磁気抵抗効果素子４ｂ、４ｄ間の接続電流線６に接続され、接絖エリア５ａ、５ｂからブリッジ回路８に電圧が供給されるものである。接続エリア（第３の接続エリア）５ｃは、ブリッジ回路８の磁気抵抗効果素子４ａ、４ｂ間の接続電流線６に接続され、接続エリア（第４の接続エリア）５ｄは、ブリッジ回路８の磁気抵抗効果素子４ｃ、４ｄ間の接続電流線６に接続され、接続エリア５ｃ、５ｄからブリッジ回路８の出力電圧が検出されるものである。

なお、図５および図６には示していないが、設置基板２上の４つの磁気抵抗効果素子４ａ〜４ｄの上方、または下方、または両方に絶縁層を介して補償導電線を配置し、ブリッジ回路８の出力電圧に基づいて、補償導電線に４つの磁気抵抗効果素子４近傍に発生する磁界を打ち消すような電流を供給する構成としてもよい。

次に、電流センサの全体構成について説明する。
被測定電流を印加する一次導体９は、中心線３上に空隙部１１を有し、空隙部１１によって２本の分流導体１０ａ、１０ｂに分かれている。この空隙部１１は、図３で示されるように、一次導体９を側面方向からみても、ある空隙部１１を有している。つまり分流導体１０は、一方の分流導体１０ａの下面と、他方の分流導体１０ｂの上面が、センサ基板１２を挿入できるだけの空隙部１１を有し、かつ分流導体１０を断面から見たとき、それぞれが点対称的に配置されたものとなされている。

このとき対称の中心に被測定電流検出部１が設置されるよう、被測定電流検出部１は、センサ基板１２上の中心線上に設けられた設置基板取付部１３に設置される。一次導体９、センサ基板１２、被測定電流検出部１のそれぞれの中心線は一致するように設置される。設置基板取付部１３は、被測定電流検出部１を対称の中心に設置するために、断面から見てセンサ基板１２の中央に位置するよう凹部形状となっている。ここでそれぞれの分流導体断面は、同一形状であり、断面積は印加する電流値に応じて決定される。また、このような一次導体形状は、直線状導体であり、打ち抜き加工と曲げ加工等により容易に作製される。

センサ基板１２上には、被測定電流検出部１とともにセンサ回路部１５を配置する。センサ回路部１５は、被測定電流検出部１の接続エリア５ａ、５ｂにブリッジ回路８の電圧を供給すると共に、ブリッジ回路８の出力電圧を適度な増幅を施して出力する。あるいは、補償導電線を配置した構成では、図７に示すようにブリッジ回路８の出力電圧に基づいて、補償導電線１６に４つの磁気抵抗効果素子４近傍に発生する磁界を打ち消すような電流をオペアンプ１７から供給するものである。

センサ基板１２と一次導体９は、取付部材１４を用いて、それぞれを挟み込むようにして固定する。安定して固定するためには、取付部材１４を２個用いて、センサ基板１２の両側を固定するのが望ましい。取付部材１４は、特に材料を限定しないが非磁性で、経時劣化の少ないものが望ましい。

次に、電流センサの動作について、補償導電線を有する場合について説明する。
一次導体９に電流が流れると、２本の分流導体１０ａ、１０ｂには、共に電流の方向に対して図４の破線に示すように右回転の磁界がその電流の大きさに応じて発生するので、被測定電流検出部１では、例えば図５において磁気抵抗効果素子４ａ、４ｂには、中心線３より紙面左側の向きに磁界が加わり、また、磁気抵抗効果素子４ｃ、４ｄには、中心線３より紙面右側の向きに磁界が加わる。磁気抵抗効果素子４ａ、４ｄは、共に磁界の増加に応じて抵抗値が増加すると共に、磁界の減少に応じて抵抗値が減少する磁気抵抗効果特性を有するように、また、磁気抵抗効果素子４ｂ、４ｃは、逆に磁界の増加に応じて抵抗値が減少すると共に、磁界の減少に応じて抵抗値が増加する磁気抵抗効果特性を有するように構成されている。

よって、１次導体９に流れる電流の増加に応じて磁気抵抗効果素子４ａ、４ｄの抵抗値が増加すると共に、磁気抵抗効果素子４ｂ、４ｃの抵抗値が減少し、また一次導体９に流れる電流の減少に応じて磁気抵抗効果素子４ａ、４ｄの抵抗値が減少すると共に、磁気抵抗効果素子４ｂ、４ｃの抵抗値が増加する。

このように、一次導体９に流れる電流の大きさに応じてブリッジ回路８の平衡が崩れる。このとき、センサ回路部１５では、被測定電流検出部１の接続エリア５ｃ，５ｄから検出される出力電圧に基づいて、磁気抵抗効果素子４ａ〜４ｄ近傍に発生する磁界を打ち消すような電流（制御電流）を補償導電線に供給する。具体的には接続エリア５ｃ、５ｄの出力電圧がゼロになるように、制御電流の大きさを調整する。補償導電線は、その制御電流の大きさに応じて４つの磁気抵抗効果素子４ａ〜４ｄ近傍に発生する磁界、すなわち一次導体９に流れる電流の大きさに応じた磁界を相殺するような磁界を発生する。

したがって、１次導体９に流れる電流の大きさに応じたブリッジ回路８の平衡の崩れを、センサ回路部１５から供給される制御電流により修復することができる。
ゆえに、センサ回路部１５から供給した制御電流の大きさが、一次導体９に流れる電流の大きさ，または一次導体９に流れる電流の大きさに相関のある値として検出することができる。

なお、一次導体９以外において発生される外乱磁界は、磁気抵抗効果素子４ａ、４ｂと磁気抵抗効果素予４ｃ、４ｄ（ブリッジ回路の左右の各ハーフブリッジ回路）に同相の影響となるため、相殺され、測定精度に影響を与えない。

また、本実施の形態では、２本の分流導体１０ａ、１０ｂの例を示したが、図８に示すように複数本（ここでは３本）の分流導体１０ａ、１０ｂ、１０ｃを用いたものでも構わない。

以上のように、この実施の形態１によれば、設置基板上に４つの磁気抵抗効果素子４で、設置基板１２の中心線３に対して分けられた一方の領域に第１のハーフブリッジ回路が配置されると共に、他方の領域に第２のハーフブリッジ回路が配置され、それぞれのハーフブリッジ回路に逆方向の磁界が印加される構造のため、一様な外部磁界を除去することができる。

また、一次導体９を分流構造としたため大電流の測定が可能となり、分流導体１０ａ、１０ｂの空隙部１１にセンサ基板１２を略平行に設置したため一次導体９を含めた電流センサの構造が小型で、かつセンサ基板１２の設置が容易となる効果がある。

<実施の形態２>
図９は、この発明の実施の形態２による電流センサを示す断面図であり、図において、被測定電流検出部１はセンサ基板１２上の、凹部形状をとらないフラットな設置基板取付部１３に設置される。被測定電流検出部１を対称の中心に設置するために、センサ基板１２と分流導体１０の設置部分において、センサ基板１２の一方は分流導体１０ｂに直接設置した形態となるが、他方は補助部材１４ａを介しての設置となる。そのため取付部材１４をセンサ基板１２の両側に各１個使用する場合、一方の取付部材１４はセンサ基板１２と分流導体１０を、他方はセンサ基板１２と分流導体１０と補助部材１４ａを挟み込むようにして固定する。

実施の形態２は、実施の形態１に補助部材１４ａを付加し、一部を変形した構造であり、その他の構成で重複する部分は省略する。
なお、本実施の形態においては、補助部材１４ａを片側に１つ設置した例を示したが、１つに限ったものではなく、両側、あるいは複数個設置して、被測定電流検出部１を対称の中心に設置するように調整してもよい。

以上のように，この実施の形態２によれば、凹部を設けないセンサ基板１２上のフラットな面に、被測定電流検出部１を設置する構成としたので，センサ回路部１５との接続等、電流センサの製造工程が簡略化され、低コスト化が可能となる。

<実施の形態３>
図１０は、この発明の実施の形態３による電流センサを示す断面図であり，図において、２つの分流導体１０ａ、１０ｂは異なる形状を有し、被測定電流検出部１は紙面の面内に分布する磁界がゼロとなる個所に、図５に示した被測定電流検出部１の中心線３と磁気がゼロとなる個所とが一致するように設置するものである。

形状の異なる、非対称な分流導体１０に被測定電流検出部１を設置するようにしたので、分流導体部分における電流の分流比が、例えば９：１の場合には、形状の同じ対称な分流導体に流れる電流を測定する場合に比べて、１／５の電流を測定するだけで済む。このことから、センサ回路部１５の容量等を小型化することができる。換言すれば、小型の電流センサで大きな電流を測定することができる。

以上のように、この実施の形態３によれば、２つの分流導体１０ａ，ｌ０ｂが異なる形状を有し、被測定電流検出部１は紙面の面内に分布する磁界がゼロとなる個所に、被測定電流検出部１の中心線３と磁気がゼロとなる個所とが一致するように設置する構成としたので、分流比を下げることができ、大電流の測定が容易に可能となる。

<実施の形態４>
図１１は、この発明の実施の形態４による電流センサを示す断面図であり、図において、電界シールド層１７は、被測定電流検出部１の表面側に絶縁層を介して覆うとともに、被測定電流検出部１の裏面側にもセンサ基板１２の内層として設置したものである。その他の構成については、図４と同一であるので重複する説明を省略する。

この電界シールド層１７は、電気伝導性を有する非磁性体で、図１１には示していないが接地されている。この実施の形態４では、被測定電流検出部１を上下方向から挟み込むように電界シールド層１７を設置する形態であるが、センサ基板１２を含めて全体を覆うケース状の電界シールド力バーであってもよい。このように電界シールド層１７を設けることにより、設置場所における電気的なノイズの影響を受けず、外乱電界をシールドすることが可能となり電流検出精度がより向上する。

以上のように、この実施の形態４によれば、電界シールド層１７を設けるように構成したので、外乱電界を除去し、測定精度を向上させることができる。

この発明の実施形態１による電流センサの斜視図である。 この発明の実施形態１による電流センサの平面図である。 この発明の実施形態１による電流センサの側面図である。 この発明の実施形態１による電流センサの断面図である。 この発明の実施形態１による電流センサの被測定電流検出部を示す平面図である。 この発明の実施形態１による電流センサの被測定電流検出部を示す構成概略図である。 この発明の実施形態１による補償導電線を配置した構成図である。 この発明の実施形態１による別の分流導体の平面図である。 この発明の実施形態２による電流センサの断面図である。 この発明の実施形態３による電流センサの断面図である。 この発明の実施形態４による電流センサの断面図である。

符号の説明

１ 被測定電流検出部
２ 設置基板
３ 中心線
４ 磁気抵抗効果素子
５ 接続エリア
６ 接続電流線
７ ハーフブリッジ回路
８ ブリッジ回路
９ 一次導体
１０ 分流導体
１１ 空隙部
１２ センサ基板
１３ 設置基板取付部
１４ 取付部材
１４ａ 補助部材
１５ センサ回路部
１６ 補償導電線
１７ 電界シールド

Claims (5)

1. 設置基板上に配置され、互いに逆方向の磁界の増加に応じて抵抗値が共に増加する磁気抵抗効果特性を有する第１および第４の磁気抵抗効果素子と、上記設置基板上に配置され、互いに逆方向の上記磁界の増加に応じて抵抗値が共に減少する磁気抵抗効果特性を有する第２および第３の磁気抵抗効果素子と、上記設置基板上に配置され、上記第１から第４の磁気抵抗効果素子を接続することにより、上記第１および第２の磁気抵抗効果素子により第１のハーフブリッジ回路、および上記第３および第４の磁気抵抗効果素子による第２のハーフブリッジ回路からなるブリッジ回路を構成する接続電流線とを備えた、上記設置基板の中心線に対して分けられた一方の領域に上記第１のハーフブリッジ回路が配置されると共に、他方の領域に上記第２のハーフブリッジ回路が配置されたセンサ基板、および少なくとも１つの開口部を有する一次導体を備え、一次導体に設けた、上記開口部によって分けられた少なくとも２つの分流導体は、一方の分流導体下面と、他方の分流導体の上面が所定の空隙部をもって点対称的に配置されると共に、上記空隙部に上記センサ基板が略平行に配置されたことを特徴とする電流センサ。
2. １つの開口部を有する一本の一次導体を備え、一次導体に設けた、上記開口部によって分けられた２つの分流導体は、同一な断面形状を有し、一方の分流導体下面と、他方の分流導体の上面が所定の空隙部をもって点対称的に配置されたことを特徴とする請求項１記載の電流センサ。
3. １つの開口部を有する一本の一次導体を備え、一次導体に設けた、上記開口部によって分けられた２つの分流導体は、異なる断面形状を有し、一方の分流導体下面と、他方の分流導体の上面が所定の空隙部をもって配置されたことを特徴とする請求項１記載の電流センサ。
4. センサ基板の１部と分流導体の一部を、密着して、あるいは補助部材を介して密着して固定する、少なくとも１つの取付部材を備えたことを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか１項記載の電流電流センサ。
5. 外乱電界を除去する電界シールドカバーをセンサ基板の上方、または下方、または両方に備えたことを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか１項記載の電流センサ。

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