JP2012058150A - Current sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電流の大きさを測定する電流センサに関し、特に、導体を流れる電流を、磁電変換素子を介して検出する電流センサに関する。 The present invention relates to a current sensor that measures the magnitude of a current, and more particularly to a current sensor that detects a current flowing through a conductor via a magnetoelectric conversion element.
近年、電気自動車やソーラー電池などの分野では、電気自動車やソーラー電池装置の大出力化・高性能化に伴って、取り扱う電流値が大きくなってきており、直流大電流を非接触で測定する電流センサが広く用いられている。このような電流センサとしては、検出対象となる導体に流れる電流を、導体周囲の磁界の変化を介して検出する磁電変換素子を備えたものが提案されている。また、電流センサとして、広い測定レンジを持つ電流センサが開発されている。 In recent years, in the fields of electric vehicles and solar batteries, the current value handled has increased with the increase in output and performance of electric vehicles and solar battery devices. Sensors are widely used. As such a current sensor, a sensor having a magnetoelectric conversion element that detects a current flowing through a conductor to be detected through a change in a magnetic field around the conductor has been proposed. As a current sensor, a current sensor having a wide measurement range has been developed.
広い測定レンジを持つ電流センサとしては、導体からの距離を変えた位置に2つの磁気センサを配置した電流センサが提案されている(例えば、特許文献1参照)。かかる電流センサにおいては、導体を通流する被測定電流からの誘導磁界の磁界強度の異なる場所に2つの磁気センサを配置し、この2つの磁気センサの出力信号により被測定電流を測定する。 As a current sensor having a wide measurement range, a current sensor has been proposed in which two magnetic sensors are arranged at positions where the distance from a conductor is changed (see, for example, Patent Document 1). In such a current sensor, two magnetic sensors are arranged at different magnetic field strengths of the induced magnetic field from the current to be measured flowing through the conductor, and the current to be measured is measured by the output signals of the two magnetic sensors.
しかしながら、特許文献1記載の電流センサにおいては、広範囲な測定レンジにするために、導体と磁気センサとの間の距離を広げる必要があるため、必要スペースが大きくなる問題がある。さらに、2つの磁気センサと導体との間の距離の誤差により、電流センサの測定精度が低下する問題があり、特に電流センサを小型化した場合には、2つの磁気センサと導体との間の距離を高精度で一致させる必要がある。このように、従来の電流センサでは、電流センサの小型化及び被測定電流の測定レンジの拡大を共に実現することは困難であった。
However, in the current sensor described in
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、広範囲の被測定電流を測定でき、しかも小型化可能な電流センサを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of this point, and an object of the present invention is to provide a current sensor that can measure a wide range of currents to be measured and can be miniaturized.
本発明の電流センサは、被測定電流からの誘導磁界の印加により抵抗値が変化する少なくとも1つの磁気抵抗効果素子を含む磁界検出ブリッジ回路と、前記磁気抵抗効果素子に磁界を印加する少なくとも1つの電磁石と、前記磁界検出ブリッジ回路から出力される出力信号に応じて前記電磁石から前記磁気抵抗効果素子に印加する磁界強度を制御する切替制御手段とを具備することを特徴とする。 The current sensor of the present invention includes a magnetic field detection bridge circuit including at least one magnetoresistive effect element whose resistance value is changed by applying an induction magnetic field from a current to be measured, and at least one applying a magnetic field to the magnetoresistive effect element. An electromagnet and switching control means for controlling a magnetic field intensity applied from the electromagnet to the magnetoresistive element in accordance with an output signal output from the magnetic field detection bridge circuit.
この構成によれば、電磁石から磁気抵抗効果素子に磁界を印加することにより、被測定電流からの誘導磁界及び電磁石からの磁界からなる磁化ベクトルと、磁気抵抗効果素子の感度軸方向と、がなす角度が増大するので、磁気抵抗効果素子の検出感度が低下する。このため、磁界検出ブリッジ回路から出力される出力信号に応じて電磁石から磁気抵抗効果素子に印加する磁界強度を制御することにより、被測定電流の大きさに応じて磁気抵抗効果素子の検出感度を調整することが可能となる。これにより、被測定電流が大電流の場合においても磁気抵抗効果素子の磁気飽和を抑制することができる。また、電磁石から磁気抵抗効果素子に印加する磁界強度を調整することにより、磁気抵抗効果素子と被測定電流を通流する導体との間の距離を変えることなく磁気抵抗効果素子の検出感度を調整できるので、電流センサの小型化が可能となる。したがって、広範囲の被測定電流を測定でき、小型化可能な電流センサを提供することが可能となる。 According to this configuration, by applying a magnetic field from the electromagnet to the magnetoresistive effect element, a magnetization vector composed of an induced magnetic field from the current to be measured and a magnetic field from the electromagnet and a sensitivity axis direction of the magnetoresistive effect element are formed. Since the angle increases, the detection sensitivity of the magnetoresistive effect element decreases. Therefore, by controlling the magnetic field strength applied from the electromagnet to the magnetoresistive effect element according to the output signal output from the magnetic field detection bridge circuit, the detection sensitivity of the magnetoresistive effect element is increased according to the magnitude of the current to be measured. It becomes possible to adjust. Thereby, even when the current to be measured is a large current, the magnetic saturation of the magnetoresistive element can be suppressed. Also, by adjusting the strength of the magnetic field applied from the electromagnet to the magnetoresistive effect element, the detection sensitivity of the magnetoresistive effect element is adjusted without changing the distance between the magnetoresistive effect element and the conductor through which the current to be measured flows. Therefore, the current sensor can be miniaturized. Therefore, it is possible to provide a current sensor that can measure a wide range of current under measurement and can be miniaturized.
本発明の電流センサにおいては、前記磁気抵抗効果素子の近傍に配置され、前記誘導磁界を相殺するキャンセル磁界を発生するフィードバックコイルをさらに具備し、前記磁界検出ブリッジ回路で得られる電圧差により前記フィードバックコイルに通電して前記誘導磁界と前記キャンセル磁界とが相殺される平衡状態となったときの前記フィードバックコイルに流れる電流に基づいて前記被測定電流を測定することが好ましい。 The current sensor according to the present invention further includes a feedback coil that is disposed in the vicinity of the magnetoresistive effect element and generates a canceling magnetic field that cancels the induced magnetic field, and the feedback based on a voltage difference obtained by the magnetic field detection bridge circuit. The current to be measured is preferably measured based on a current flowing through the feedback coil when the coil is energized to achieve an equilibrium state in which the induction magnetic field and the cancellation magnetic field cancel each other.
本発明の電流センサにおいては、前記磁気抵抗効果素子は、その長手方向が互いに平行になるように配置された複数の帯状の長尺パターンが折り返してなる形状を有し、前記誘導磁界及び前記キャンセル磁界が前記長手方向に直交する方向に沿うように印加されることが好ましい。 In the current sensor of the present invention, the magnetoresistive effect element has a shape formed by folding a plurality of strip-like long patterns arranged so that the longitudinal directions thereof are parallel to each other, and the induction magnetic field and the cancellation It is preferable that the magnetic field is applied so as to be along a direction orthogonal to the longitudinal direction.
本発明の電流センサにおいては、前記磁界検出ブリッジ回路により、前記誘導磁界に比例した前記2つの磁気抵抗効果素子の出力により前記被測定電流を測定することが好ましい。 In the current sensor of the present invention, it is preferable that the current to be measured is measured by the magnetic field detection bridge circuit based on outputs of the two magnetoresistive elements proportional to the induced magnetic field.
本発明によれば、広範囲の被測定電流を測定でき、しかも小型化可能な電流センサを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a current sensor that can measure a wide range of currents to be measured and can be miniaturized.
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。まず、本発明に係る電流センサが磁気平衡式電流センサである場合について説明する。なお、以下の実施の形態においては、4つの磁気抵抗効果素子により磁界検出ブリッジ回路を構成する例について説明するが、磁界検出ブリッジ回路は、少なくとも1つの磁気抵抗効果素子を用いて構成することが可能であり、例えば、2つの磁気抵抗効果素子及び2つの固定抵抗素子を用いて構成することも可能である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. First, the case where the current sensor according to the present invention is a magnetic balance type current sensor will be described. In the following embodiment, an example in which a magnetic field detection bridge circuit is configured by four magnetoresistive effect elements will be described. However, the magnetic field detection bridge circuit may be configured by using at least one magnetoresistive effect element. For example, it may be configured using two magnetoresistive elements and two fixed resistance elements.
図1は、本実施の形態に係る電流センサ1の模式的な斜視図であり、図2は、本実施の形態に係る電流センサ1の平面模式図である。図1及び図2に示すように、本実施の形態に係る電流センサ1は、被測定電流Iが流れる導体11の近傍に配設される。この電流センサ1は、導体11に流れる被測定電流Iによる誘導磁界Hを打ち消す磁界(キャンセル磁界)を生じさせるフィードバック回路12を備える。このフィードバック回路12は、被測定電流Iによって発生する磁界を打ち消す方向に巻回されたフィードバックコイル121と、4つの磁気抵抗効果素子122a〜122dとを有する。また、この電流センサ1は、磁気抵抗効果素子122a〜122dに向けて磁界H1(図4参照)を印加する一対の電磁石13a、13bを備えており、この電磁石13a、13bにより、磁気抵抗効果素子122a〜122dの検出感度を調整可能に構成されている。
FIG. 1 is a schematic perspective view of a
フィードバックコイル121は平面コイルで構成されている。この構成においては、磁気コアを有しないので、低コストでフィードバックコイル121を作製することができる。また、トロイダルコイルの場合に比べて、フィードバックコイル121から生じるキャンセル磁界が広範囲に拡がることを防止でき、周辺回路に影響を与えることを回避できる。さらに、トロイダルコイルの場合に比べて、被測定電流Iが交流の場合に、フィードバックコイル121によるキャンセル磁界の制御が容易であり、制御のために流す電流もそれほど大きくならない。これらの効果については、被測定電流Iが交流で高周波になるほど大きくなる。フィードバックコイル121は平面コイルで構成する場合において、平面コイルの形成面と平行な面内で誘導磁界Hとキャンセル磁界の両方が生じるように平面コイルが設けられていることが好ましい。
The
磁気抵抗効果素子122a〜122dは、被測定電流Iからの誘導磁界Hの印加により抵抗値が変化する。この4つの磁気抵抗効果素子122a〜122dにより磁界検出ブリッジ回路123を構成している。このように磁気抵抗効果素子122a〜122dを有する磁界検出ブリッジ回路123を用いることにより、高感度の電流センサ1を実現することができる。
The resistance values of the
この磁界検出ブリッジ回路123は、被測定電流Iにより生じた誘導磁界Hに応じた電圧差を生じる2つの出力を備える。図2に示す磁界検出ブリッジ回路123においては、磁気抵抗効果素子122bと磁気抵抗効果素子122cとの間の接続点に電源Vddが接続されており、磁気抵抗効果素子122aと磁気抵抗効果素子122dとの間の接続点にグランド(GND)が接続されている。さらに、この磁界検出ブリッジ回路123においては、磁気抵抗効果素子122a、122b間の接続点から一つの出力(Out1)を取り出し、磁気抵抗効果素子122c、122d間の接続点からもう一つの出力(Out2)を取り出している。これらの2つの出力は増幅器124で増幅され、フィードバックコイル121に電流(フィードバック電流)として与えられる。このフィードバック電流は、誘導磁界Hに応じた電圧差に対応する。このとき、フィードバックコイル121には、誘導磁界Hを相殺するキャンセル磁界が発生する。そして、誘導磁界Hとキャンセル磁界とが相殺される平衡状態となったときのフィードバックコイル121に流れる電流に基づいて検出部(検出抵抗R)で被測定電流Iを測定する。
The magnetic field
磁気抵抗効果素子122a〜122dとしては、図2の拡大図に示すように、その長手方向が互いに平行になるように配置された複数の帯状の長尺パターン(ストライプ)が折り返してなる形状(ミアンダ形状)を有するGMR素子であることが好ましい。このミアンダ形状において、感度軸方向(Pin方向)は、長尺パターンの長手方向(ストライプ長手方向)に対して直交する方向(ストライプ幅方向)である。このミアンダ形状においては、誘導磁界H及びキャンセル磁界がストライプ長手方向に直交する方向(ストライプ幅方向)に沿うように印加される。
As shown in the enlarged view of FIG. 2, the
このミアンダ形状においては、リニアリティを考慮すると、感度軸方向(Pin方向)の幅が1μm〜10μmであることが好ましい。この場合において、リニアリティを考慮すると、ミアンダ形状の長手方向が、誘導磁界Hの方向及びキャンセル磁界の方向に対して共に垂直になることが望ましい。このようなミアンダ形状にすることにより、ホール素子よりも少ない端子数(2端子)で磁気抵抗効果素子の出力を採ることができる。 In this meander shape, in consideration of linearity, the width in the sensitivity axis direction (Pin direction) is preferably 1 μm to 10 μm. In this case, considering linearity, it is desirable that the longitudinal direction of the meander shape is perpendicular to the direction of the induction magnetic field H and the direction of the cancellation magnetic field. By adopting such a meander shape, the output of the magnetoresistive effect element can be taken with a smaller number of terminals (two terminals) than the Hall element.
電磁石13a、13bは、磁気抵抗効果素子122a〜122dを挟むように基板(不図示)上に配設される。また、電磁石13a、13bは、磁気抵抗効果素子122a〜122dの感度軸方向に対して略直交する方向から磁界を印加するように配設される。電磁石13a、13bは、制御部200の切替制御回路221(図5参照)に接続されており、磁気抵抗効果素子122a〜122dから出力される出力信号に応じて磁気抵抗効果素子122a〜122dに印加する磁界強度を調整可能に構成されている。
The
このような構成を有する電流センサ1においては、図1に示すように、被測定電流Iから発生した誘導磁界Hを磁気抵抗効果素子122a〜122dで受け、その誘導磁界Hをフィードバックしてフィードバックコイル121からキャンセル磁界を発生し、2つの磁界(誘導磁界H、キャンセル磁界)を相殺して磁気抵抗効果素子122a〜122dに印加する磁場が零になるように適宜調整する。
In the
上記構成を有する電流センサ1は、磁気検出素子として磁気抵抗効果素子122a〜122d、特にGMR(Giant Magneto Resistance)素子やTMR(Tunnel Magneto Resistance)素子を有する磁界検出ブリッジ回路を用いる。これにより、高感度の電流センサ1を実現することができる。また、この電流センサ1は、磁界検出ブリッジ回路123が膜構成の同じ4つの磁気抵抗効果素子122a〜122dで構成されている。また、上記構成を有する電流センサ1は、フィードバックコイル121、磁界検出ブリッジ回路123、及び電磁石13a、13bが同一基板上に形成されてなるので、小型化を図ることができる。さらに、この電流センサ1は、磁気コアを有しない構成であるので、小型化、低コスト化を図ることができる。
The
このように配置された4つの磁気抵抗効果素子122a〜122dを有する電流センサにおいて、磁界検出ブリッジ回路123の2つの出力(Out1、Out2)の電圧差が零になるようにフィードバックコイル121から磁気抵抗効果素子122a〜122dにキャンセル磁界を印加し、その際にフィードバックコイル121に流れる電流値を検出することにより、被測定電流Iを測定する。
In the current sensor having the four
図1に示すように、導体11に被測定電流Iが流れると、4つの磁気抵抗効果素子122a〜122dには、それぞれ誘導磁界H及びキャンセル磁界が印加される。このとき、被測定電流Iにより発生する誘導磁界Hとキャンセル磁界との合成磁界強度が零となる時に、磁界検出ブリッジ回路123の中点電位差が零となる。
As shown in FIG. 1, when the current I to be measured flows through the
図3(a)は、本発明の実施の形態に係る電流センサ1における磁界検出ブリッジ回路123の配線パターンの説明図であり、図3(b)は、図3(a)におけるA−A線矢視断面の模式図である。本実施の形態に係る電流センサの磁界検出ブリッジ回路123は、図3(a)に示すように、電源供給点(Vdd)に対して対称である配線を有する。フィードバックコイル121のコイルパターンの延在方向(フィードバック電流の通電方向)とミアンダのストライプ長手方向とが沿うように、磁気抵抗効果素子122a〜122dが形成されている。ここでは、図3(b)に示すように、磁気抵抗効果素子122a〜122d上にフィードバックコイル121が配設されている。
FIG. 3A is an explanatory diagram of a wiring pattern of the magnetic field
また、この磁気抵抗効果素子122a〜122dを接続するとともに、電源供給点(Vdd)やGndに接続する配線パターン60が形成されている。この配線パターン60は、電源供給点に対して対称である。これにより、電源供給点の両側で配線の長さがほぼ同じとなるので、電源供給点の両側で配線抵抗の差がなくなる。その結果、配線抵抗の差による中点電位のずれがなくなり、より高精度に電流測定を行うことができる。
Further, a
次に、図4(a)、(b)を参照して本実施の形態に係る電流センサ1の検出原理について説明する。図4(a)、(b)は、本実施の形態に係る電流センサ1の検出原理の説明図である。なお、図4(a)、(b)においては、説明の便宜上、一方の電磁石13aのみを示している。また、図4(a)、(b)においては、磁気抵抗効果素子122aにおける被測定電流Iからの誘導磁界Hと電磁石13aとの関係を示しているが、磁気抵抗効果素子122b〜122dについても同様の原理で被測定電流Iが検出される。
Next, the detection principle of the
図4(a)、(b)に示すように、本実施の形態に係る電流センサ1においては、被測定電流からの誘導磁界Hに対して、電磁石13aで発生する磁界H1が直交して印加され、被測定電流Iからの誘導磁界Hと電磁石で発生する磁界H1とから、感度軸方向に対して所定の角度θをなす磁化ベクトルMが形成される。この時、磁気抵抗効果素子122aの抵抗Rは、下記関係式(1)により表され、磁化ベクトルMと感度軸方向とがなす角度θにより変化する。このため、電磁石13aから印加される磁界H1が小さい場合には、感度軸方向と磁化ベクトルMとがなす角度θが0に近くなり検出感度が高くなる。
R=R0−(ΔR/R)cosθ…式(1)
(式(1)中、R0は初期抵抗、ΔRは抵抗変化であり、磁気抵抗素子の材料及び構成により決まる定数である。)
As shown in FIGS. 4A and 4B, in the
R = R0− (ΔR / R) cos θ (1)
(In Formula (1), R0 is an initial resistance, and ΔR is a resistance change, which is a constant determined by the material and configuration of the magnetoresistive element.)
図4(a)に示すように、電磁石13aから印加される磁界H1が小さい状態では、被測定電流Iからの誘導磁界Hと電磁石13aで発生する磁界H1とから、感度軸方向に対して所定の角度θ1をなす磁化ベクトルMが形成される。一方、図4(b)に示すように、電磁石13aから印加される磁界H1が大きい場合には、感度軸方向と磁化ベクトルMとがなす角度θ2が上述のθ1より大きくなり、上記関係式(1)より磁気抵抗効果素子122aの検出感度は小さくなる。また、この場合には、大電流発生時において、被測定電流Iからの誘導磁界Hが大きい場合においても、感度軸方向と磁化ベクトルMとがなす角度θが零になりにくくなるので、磁気抵抗効果素子122aの磁気飽和を抑制することができる。したがって、電流センサ1の測定レンジを拡大することができる。
As shown in FIG. 4A, when the magnetic field H1 applied from the
次に、被測定電流測定時における電流センサ1の出力信号の制御について詳細に説明する。図5は、本実施の形態に係る電流センサ1の機能ブロック図である。図5に示すように、この電流センサ1は、被測定電流Iからの誘導磁界Hを検出するセンサ部12aと、センサ部12aの出力信号を制御する制御部200と、センサ部12aからの出力信号に応じてセンサ部12aの磁気抵抗効果素子122a〜122dに磁界を印加する電磁石13a、13とを具備する。
Next, the control of the output signal of the
センサ部12aは、被測定電流Iによって発生する磁界を打ち消す方向の磁界を発生可能に配置されたフィードバックコイル121と、磁気検出素子である4つの磁気抵抗効果素子122a〜122dからなる磁界検出ブリッジ回路123とから構成されている。
The
制御部200は、センサ部12aの磁界検出ブリッジ回路123の差動出力を増幅し、フィードバックコイル121のフィードバック電流を制御する差動・電流アンプ211と、センサ部12aのフィードバック電流を電圧に変換するI/Vアンプ212と、差動・電流アンプ211からの出力信号に応じて電磁石13a、13bに供給する電流量を切替える切替制御回路221と、I/Vアンプ212の差動出力を増幅する増幅回路222と、を含む。
The
フィードバックコイル121は、磁界検出ブリッジ回路123の磁気抵抗効果素子122a〜122dの近傍に配置されており、被測定電流Iにより発生する誘導磁界Hを相殺するキャンセル磁界を発生する。磁気抵抗効果素子122a〜122dは、被測定電流Iからの誘導磁界Hの印加により抵抗値が変化する。4つの磁気抵抗効果素子122a〜122dにより磁界検出ブリッジ回路123を構成することにより、高感度の電流センサを実現することができる。また、磁気抵抗効果素子122a〜122dを用いることにより、電流センサを設置する基板面と平行な方向に感度軸を配置し易く、平面コイルを使用することが可能となる。
The
磁界検出ブリッジ回路123は、被測定電流Iにより生じた誘導磁界Hに応じた電圧差を生じる2つの出力を備える。磁界検出ブリッジ回路123の2つの出力は差動・電流アンプ211で増幅され、増幅された出力がフィードバックコイル121に電流(フィードバック電流)として与えられる。このフィードバック電流は、誘導磁界Hに応じた電圧差に対応する。このとき、フィードバックコイル121には、誘導磁界Hを相殺するキャンセル磁界が発生する。そして、誘導磁界Hとキャンセル磁界とが相殺される平衡状態となったときのフィードバックコイル121に流れる電流がI/Vアンプ212で電圧に変換され、この電圧がセンサ出力となる。
The magnetic field
なお、差動・電流アンプ211においては、電源電圧を、I/V変換の基準電圧+(フィードバックコイル抵抗の定格内最大値×フルスケール時フィードバックコイル電流)に近い値に設定することで、フィードバック電流が自動的に制限され、磁気抵抗効果素子122a〜122dやフィードバックコイルを保護する効果が得られる。また、ここでは磁界検出ブリッジ回路123の二つの出力の差動を増幅してフィードバック電流に用いたが、ブリッジ回路からは中点電位のみを出力とし、所定の基準電位との電位差をもとにフィードバック電流としてもよい。
In the differential /
切替制御回路221は、磁気抵抗効果素子122a〜122dからの出力信号の大きさが所定の閾値より大きいか否かを判断する判定回路を備える。切替制御回路221は、差動・電流アンプ211からの出力信号に応じて電磁石13a、13bのコイルに供給する電流量を切替えることにより、電磁石13a、13bから磁気抵抗効果素子122a〜122dへ印加する磁界強度を制御する。このような制御を行うことにより、被測定電流からの誘導磁界Hに応じて変化するセンサ部12aの出力に応じて磁気抵抗効果素子122a〜122dの検出感度を調整することが可能となる。これにより、被測定電流Iが大電流の場合には、電磁石13a、13bから磁気抵抗効果素子122a〜122dへ印加する磁界を増大させることにより、磁気抵抗効果素子122a〜122dの検出感度を低減することが可能となる。また、被測定電流Iが小電流の場合には、電磁石13a、13bから印加する磁界を低減することにより、磁気抵抗効果素子122a〜122dの検出感度を増大させることができる。したがって、電流センサ1の検出範囲を拡大することが可能となる。なお、後述するように、電流センサ1の被測定電流測定時において、フィードバックコイル121からのキャンセル磁界を用いない場合には、切替制御回路221から電磁石13a、13bに供給される電流出力信号として用いてもよい。
The switching
次に、図6を参照して本実施の形態に係る電流センサ1の被測定電流測定時における制御フローについて詳細に説明する。図6は、本実施の形態に係る電流センサ1の被測定電流測定時における制御フローの一例を示す図である。
Next, a control flow at the time of measuring the current to be measured of the
図6に示すように、被測定電流測定開始後、センサ部12aにより被測定電流Iを測定する(ステップST1)。次に、切替制御回路221は、センサ部12aからの出力信号が所定の閾値S1より大きいか否かを判定する(ステップST2)。ステップST2において、センサ部12aからの出力信号が所定の閾値S1より大きい場合には、電磁石13a、13bへの電流供給量を増大する(ステップST3)。ステップST2において、センサ部12aからの出力信号が所定の閾値S1以下の場合には、電磁石13a、13bへ電流供給量を一定とした状態でセンサ部12aにより被測定電流Iの測定を継続する(ステップST1)。
As shown in FIG. 6, after starting measurement of the current to be measured, the current to be measured I is measured by the
次に、電磁石13a、13bへの電流の供給後、切替制御回路221は、センサ部12aからの出力信号が所定の閾値S1より大きいか否かを所定の時定数で判定する(ステップS4)。ステップST4において、センサ部12aからの出力信号が所定の閾値S1より大きい場合には、切替制御回路221から電磁石13a、13bへの電流供給量を増大して電磁石13a、13bから磁気抵抗効果素子122a〜122dへ印加する磁界を増大する(ステップST3)。これにより、磁気抵抗効果素子122a〜122dの感度軸方向と、電磁石13a、13bからの磁界H1及び被測定電流Iからの誘導磁界Hからなる磁化ベクトルMと、がなす角度θが増大するので、磁気抵抗効果素子122a〜122dの検出感度が低下する。したがって、被測定電流Iが大きい場合においても磁気抵抗効果素子122a〜122dの磁気飽和を抑制することができる。
Next, after supplying the current to the
また、ステップST4において、センサ部12aの出力信号が所定の閾値S1以下の場合、次に、センサ部12aの出力信号が所定の閾値S2より小さいか否かを判定する(ステップST5)。ステップST5において、センサ部12aの出力信号が所定の閾値S2より小さい場合には、電磁石13a、13bへの電流供給量を減少させる(ステップST6)。これにより、電磁石13a、13bから磁気抵抗効果素子122a〜122dに印加される磁界強度が低減するので、磁気抵抗効果素子122a〜122dの感度軸方向と、電磁石13a、13bからの磁界H1及び被測定電流Iからの誘導磁界Hからなる磁化ベクトルMと、がなす角度θが小さくなる。したがって、磁気抵抗効果素子122a〜122dの検出感度が向上する。
If the output signal of the
また、ステップST5において、センサ部12aの出力信号が所定の閾値以上の場合には、電流供給量を一定とした状態で、センサ部12aによる被測定電流Iの測定を継続する(ステップST1)。このように、本実施の形態に係る電流センサ1においては、切替制御回路221によって、電磁石13a、13bへの電流供給量を制御し、磁気抵抗効果素子122a〜122dの検出感度を調整しながら被測定電流Iを測定する。このような制御により、例えば、電気自動車等において、被測定電流Iが小電流となる停車時には、センサ部12aからの出力信号が微小値(閾値S1以下)となるので、磁気抵抗効果素子122a〜122dの検出感度を増大させて検出感度を向上できる。また、被測定電流Iが大電流となる電気自動車の発進時においては、出力信号が所定の閾値S1より大きくなるので、電磁石13aからの磁界の印加により、センサ部12aからの磁気抵抗効果素子122a〜122dの磁気飽和を抑制することが可能となる。このため、電流センサ1を電気自動車に用いた場合においても、小電流を精度よく検出でき、しかも大電流も測定可能な電流センサを実現することができる。
In step ST5, when the output signal of the
なお、上述した制御フローにおいては、センサ部12aからの出力信号を所定の時定数で閾値S1と比較する例について説明したが、センサ部12aからの出力信号を連続して所定の閾値S1と比較するフィードバック制御をすることも可能である。この場合においては、電磁石13a、13bから磁気抵抗効果素子122a〜122dへの磁界H1の印加を連続して調整することにより、磁気抵抗効果素子122a〜122dの検出感度を連続的に調整できるので、磁気抵抗効果素子122a〜122dの磁気飽和を効果的に抑制することができる。なお、この場合においては、センサ部12aからの出力信号を所定の時定数で検出し、連続して検出された各時点間における出力信号の変化量に基づいて切替制御回路221から電磁石13a、13bへの電流供給量を制御するようにしてもよい。
In the control flow described above, the example in which the output signal from the
ところで、磁気平衡式電流センサにおいては、被測定電流Iの増大によりフィードバックコイル121が発熱し、このフィードバックコイル121の発熱により、磁気抵抗効果素子122a〜122dの温度が上昇して磁気抵抗効果素子122a〜122dの出力信号が小さくなる現象が発生する。このため、電流センサ1の測定精度の向上のためには、フィードバックコイル121の発熱を抑制することが望ましい。さらに、被測定電流Iが大電流の場合には、フィードバックコイル121からのキャンセル磁界のみでは、十分な測定精度が得られない場合がある。
By the way, in the magnetic balance type current sensor, the
次に、上記磁気平衡式電流センサの特性を考慮した本実施の形態に係る電流センサ1の被測定電流測定時の制御フローの他の例について説明する。図7は、本発明の実施の形態に係る電流センサ1の被測定電流測定時における他の制御フローを示す図である。本例においては、電磁石13a、13bによる磁界H1の印加と共に、フィードバックコイル121からのキャンセル磁界を組合せて用いることにより磁気抵抗効果素子122a〜122dの検出感度を制御する。
Next, another example of the control flow when measuring the current to be measured of the
図7に示すように、本例においては、被測定電流測定開始後、電磁石13a、13bのコイルへ通電しない状態でフィードバックコイル121からのキャンセル磁界により被測定電流Iを測定する(ステップST11)。次に、切替制御回路221は、センサ部12aからの出力信号が所定の閾値S3より大きいか否かを判定する(ステップST12)。ステップST12において、センサ部12aからの出力信号が所定の閾値S3より大きい場合には、フィードバックコイル121からのキャンセル磁界を停止して電磁石13a、13bへ電流供給を開始する(ステップST13)。ステップST13においては、フィードバック電流としては、切替制御回路221から電磁石13a、13bに流れる電流を用いる。ステップST12において、センサ部12aからの出力信号が所定の閾値S3以下の場合には、電磁石13a13bへの電流の供給は行わずに測定を継続する(ステップST11)。
As shown in FIG. 7, in this example, after starting measurement of the current to be measured, the current I to be measured is measured by a canceling magnetic field from the
次に、電磁石13a、13bへの電流の供給後、切替制御回路221は、センサ部12aからの出力信号が所定の閾値S4より大きいか否かを所定の時定数で判定する(ステップST14)。ステップST14において、センサ部12aからの出力信号が所定の閾値S4より大きい場合には、切替制御回路221から電磁石13a、13bへ供給する電流量を増大して電磁石13a、13bから磁気抵抗効果素子122a〜122dへ印加する磁界H1を増大する(ステップST13)。これにより、磁気抵抗効果素子122a〜122dの感度軸方向と、電磁石13a、13bからの磁界H1及び被測定電流Iからの誘導磁界Hからなる磁化ベクトルMと、がなす角度θが増大するので、磁気抵抗効果素子122a〜122dの検出感度が低下する。
Next, after supplying current to the
また、ステップST14において、センサ部12aの出力信号が所定の閾値S4以下の場合には、センサ部12aの出力信号が所定の閾値S5より小さいか否かを判定する(ステップST15)。ステップST15において、センサ部12aの出力信号が所定の閾値S5より小さい場合には、切替制御回路221から電磁石13a、13bへ供給する電流量を停止すると共に、フィードバックコイル121からキャンセル磁界を発生させて被測定電流Iを測定する(ステップST16)。これにより、電磁石13a、13bから磁気抵抗効果素子122a〜122dに印加される磁界H1が減少するので、磁気抵抗効果素子122a〜122dの感度軸方向と、電磁石13a、13からの磁界H1及び被測定電流Iからの誘導磁界Hからなる磁化ベクトルMと、がなす角度θが減少して検出感度が増大する。このようにして、測定終了時まで切替制御回路221により、電磁石13a、13bへの電流の供給量を制御しながら、被測定電流Iを測定する。
In step ST14, when the output signal of the
本例においては、被測定電流Iが大電流であり、磁気抵抗効果素子122a〜122dの出力信号が所定の閾値S3を超える場合には、フィードバックコイル121からのキャンセル磁界を停止し、電磁石13a、13bからの磁界H1により被測定電流Iを測定する。このように、被測定電流Iが大電流の場合にフィードバックコイル121からのキャンセル磁界を用いずに被測定電流Iを測定することにより、電流センサ1における発熱を抑制できる。これにより、被測定電流Iが大電流の場合における被測定電流Iの測定誤差を低減することが可能となり、電流センサの測定精度を更に向上させることが可能となる。さらに、本例においては、被測定電流Iが大電流であり、フィードバックコイル121からのキャンセル磁界では誘導磁界が打ち消せない場合においても、被測定電流からの誘導磁界Hを打ち消すように電磁石13a、13bから磁界を印加することにより、被測定電流Iを正確に測定することが可能となる。
In this example, when the current I to be measured is a large current and the output signals of the
本発明は、磁気平衡式電流センサだけでなく、誘導磁界Hに比例した2つの磁気抵抗効果素子の出力により被測定電流Iを測定する磁気比例式電流センサにも同様に適用することができる。この電流センサ2は、図8に示すように、図3(a)に示す構成からフィードバックコイルを除いた構成を有する。また、磁気比例式電流センサの磁界検出ブリッジ回路123は、4つの磁気抵抗効果素子122a〜122dを有し、図1〜図2に示す構成と同様に電源供給点(Vdd)に対して対称である配線を有する。また、電磁石13a、13bは、4つの磁気抵抗効果素子122a〜122dの感度軸方向に直交する方向から磁界H1を印加するように配置される。このように、本発明は、磁気比例式電流センサに適用した場合においても磁気平衡式電流センサの場合と同様にして効果を得ることが可能となる。
The present invention can be similarly applied not only to a magnetic balance type current sensor but also to a magnetic proportional type current sensor that measures a current I to be measured by outputs of two magnetoresistive effect elements proportional to an induced magnetic field H. As shown in FIG. 8, the
このように、本実施の形態に係る電流センサ1においては、センサ部12aの磁気抵抗効果素子122a〜122dに対し、被測定電流Iの大きさに応じて電磁石13a、13bから磁気抵抗効果素子122a〜122dに印加する磁界H1を調整しながら被測定電流Iを測定する。これにより、電磁石13a、13bからの磁界H1により、磁気抵抗効果素子122a〜122dの感度軸方向と、電磁石13a、13bからの磁界H1及び被測定電流Iからの誘導磁界Hからなる磁化ベクトルMと、がなす角度θが変化するので、被測定電流Iからの誘導磁界Hに対する磁気抵抗効果素子122a〜122dの検出感度が変化する。したがって、被測定電流Iが大電流の場合においても、磁気抵抗効果素子122a〜122dの磁気飽和を抑制することができる。また、磁気抵抗効果素子122a〜122dと導体11との間の距離を変えることなく、電磁石13a、13bによる磁界H1の印加によって被測定電流Iの検出感度を調整できるので、電流センサ1の小型化が可能となる。したがって、測定レンジが広く、しかも小型化可能な電流センサを実現することが可能となる。
Thus, in the
特に、本実施の形態に係る電流センサ1においては、磁気平衡式電流センサにおいて、電磁石13a、13bを用いることにより、フィードバックコイル121からのキャンセル磁界を用いずに被測定電流Iを測定することも可能となる。これにより、被測定電流Iが大電流の場合に生じるフィードバックコイル121の発熱による磁気抵抗効果素子122a〜122dの検出感度の低下を抑制できる。このため、磁気抵抗効果素子122a〜122d間の検出感度の差を低減でき、測定精度が高い電流センサを実現することが可能となる。
In particular, in the
本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することができる。例えば、上記実施の形態における材料、各素子の接続関係、厚さ、大きさ、製法などは適宜変更して実施することが可能である。その他、本発明は、本発明の範囲を逸脱しないで適宜変更して実施することができる。 The present invention is not limited to the above embodiment, and can be implemented with various modifications. For example, the materials, connection relations, thicknesses, sizes, manufacturing methods, and the like in the above embodiments can be changed as appropriate. In addition, the present invention can be implemented with appropriate modifications without departing from the scope of the present invention.
本発明は、広範囲の被測定電流を測定でき、しかも小型化可能であるという効果を有し、特に、電気自動車のモータ駆動用の電流の大きさを検出する電流センサに適用することが可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention has an effect that it can measure a wide range of currents to be measured and can be downsized, and can be applied particularly to a current sensor that detects the magnitude of a current for driving a motor of an electric vehicle. is there.
1、2 電流センサ
11 導体
12 フィードバック回路
12a センサ部
13a、13b 電磁石
60 配線パターン
121 フィードバックコイル
122a〜122d 磁気抵抗効果素子
123 磁界検出ブリッジ回路
124 増幅器
200 制御部
211 差動・電流アンプ
212 I/Vアンプ
221 切替制御回路
222 増幅回路
DESCRIPTION OF
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