JP2014219320A - Current measuring apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、導体中を流れる電流によって生じる磁界強度を検知し、電流値を測定する電流測定装置に関する。 The present invention relates to a current measuring apparatus that detects a magnetic field intensity generated by a current flowing in a conductor and measures a current value.
昨今、ハイブリッド自動車や電気自動車が普及する中で、バッテリーの使用量や充電時の電力量をモニターするために、例えば電流センサが使用されている。電流が流れる導体（バスバー）の周囲には、流れている電流の大きさに比例した磁界が発生しているため、電流センサはこの磁界を測定することで導体に流れている電流値を出力する。電流センサとしては、特許文献１に示すように、バスバーの周囲を囲むように磁気コアを配置し、この磁気コアに設けた空隙（ギャップ）に配置した磁気検出素子により磁界を検出し、電流を測定する。このように磁気コアで導体を包み込む形式のものを磁気コア型と呼ぶが、大きな電流値を測定しようとする場合は磁気コアも大きくせざるを得ず、電流センサの重量、及びサイズの増大を招いている。
また、導体の周囲を磁気コアで包み込むという形状から、一度設置したら取り外しや交換が容易でないといった問題もある。
In recent years, with the spread of hybrid vehicles and electric vehicles, for example, current sensors are used to monitor the amount of battery used and the amount of power during charging. Since a magnetic field proportional to the magnitude of the flowing current is generated around the conductor (bus bar) through which the current flows, the current sensor outputs the current value flowing through the conductor by measuring this magnetic field. . As a current sensor, as shown in
Another problem is that it is not easy to remove or replace the conductor once it is installed because of the shape in which the conductor is surrounded by a magnetic core.
そこで近年、特許文献２に示すような、磁気コアを設けずに被測定導体近傍に磁気センサを配置する形式のコアレス型の電流センサが提案されている。コアレスにすることにより電流センサ自体を小型軽量化することができ、且つ取り付けや取り外しが容易で設置の自由度の高い電流センサが実現可能である。この電流センサに用いられる磁気素子としては、ホール素子や磁気抵抗効果（ＭＲ）素子、磁気インピーダンス（ＭＩ）素子やフラックスゲート（ＦＧ）素子などの各種磁気検出素子が挙げられる。磁気検出素子は、半導体分野における薄膜プロセスや微細配線加工プロセスを用いて、小型なサイズで作製可能である。
Therefore, in recent years, a coreless current sensor of a type in which a magnetic sensor is arranged in the vicinity of a conductor to be measured without providing a magnetic core as shown in
しかし、コアレス型の電流センサは、小型化に有利な反面、外来磁界が印加されることにより誤差が生じやすいという課題があった。磁気コアを備えた電流センサにおいては、導体周囲の磁界が磁気コアにより集磁されるため、外来磁界の影響を小さくすることができる。一方、コアレス型の電流センサは、導体が発する磁界と外来磁界とを同一の比で検出するため、外来磁界がそのまま誤差となる。こうした課題に鑑み、例えば、特許文献３では磁気検出素子を導体の両側に配置して、それぞれの磁気検出素子の検出値から電流値を演算することによって、外来磁界をキャンセルする方法が提案されている。
However, while the coreless type current sensor is advantageous for downsizing, there is a problem that an error is easily generated when an external magnetic field is applied. In a current sensor having a magnetic core, the magnetic field around the conductor is collected by the magnetic core, so that the influence of the external magnetic field can be reduced. On the other hand, since the coreless current sensor detects the magnetic field generated by the conductor and the external magnetic field at the same ratio, the external magnetic field becomes an error as it is. In view of such problems, for example,
しかしながら、特許文献３に示したようなコアレス型の電流センサであっても、非一様磁界ノイズに対しては、これを完全に除去できないという課題があった。非一様磁界ノイズとは、磁界強度が空間的に変化する磁界を意味しており、たとえば磁石近傍の磁界、被測定電流と同程度の電流が流れる導体から発せられる磁界などが挙げられる。こうした非一様磁界ノイズが磁気検出素子に印加されると、導体に対向して配された個々の磁気検出素子に印加される磁界ノイズの強度は互いに異なってしまう。このため、これら磁気検出素子の出力信号の差分を演算しても、磁界ノイズ成分は完全に除去されず、大きな誤差を生じさせる原因になるという課題があった。
However, even the coreless type current sensor as shown in
本発明は上記課題に鑑み、電流値の測定対象となる導体の近傍に磁界ノイズの発生源があっても、測定対象の導体中を流れる電流を正確に測定することが可能な電流測定装置を提供することを目的とする。 In view of the above problems, the present invention provides a current measuring device capable of accurately measuring a current flowing in a conductor to be measured even when a magnetic field noise source is in the vicinity of the conductor to be measured for a current value. The purpose is to provide.
上記課題を解決するために、本発明のいくつかの態様は、次のような電流測定装置を提供する。すなわち、本発明の電流測定装置は、線状を成す導体の任意の測定部位を流れる電流を測定するための電流測定装置であって、
前記測定部位において、前記導体の長手方向に対して垂直な面を仮定した場合、該面内で前記導体を取り巻くように互いに離間して配された、３つ以上の磁気センサと、
前記磁気センサが個別に検知した磁界の方向に沿った磁界強度を線形結合することによって、前記導体中の電流値を算出する演算部と、
を含むことを特徴とする電流測定装置。
In order to solve the above problems, some aspects of the present invention provide the following current measuring apparatus. That is, the current measuring device of the present invention is a current measuring device for measuring a current flowing through an arbitrary measurement site of a linear conductor,
In the measurement site, assuming a plane perpendicular to the longitudinal direction of the conductor, three or more magnetic sensors arranged apart from each other so as to surround the conductor in the plane;
An arithmetic unit that calculates a current value in the conductor by linearly combining magnetic field strength along the direction of the magnetic field individually detected by the magnetic sensor;
A current measuring device comprising:
前記導体を取り巻く前記磁気センサの配置が、前記面内における円周上、あるいは楕円周上であることを特徴とする。 The arrangement of the magnetic sensor surrounding the conductor is on a circumference in the plane or on an ellipse.
前記磁気センサは、前記円周上、あるいは前記楕円周上において等角度に配置されることを特徴とする。 The magnetic sensors are arranged at equal angles on the circumference or the ellipse.
前記磁気センサの個別に検知した磁界の方向は、前記円周、または楕円周の接線方向であることを特徴とする。 The direction of the magnetic field individually detected by the magnetic sensor is a tangential direction of the circumference or the ellipse circumference.
前記磁気センサを配する基体を更に備え、該基体には導体を貫通させる開口部が形成されていることを特徴とする。 The substrate further includes a base on which the magnetic sensor is disposed, and the base is formed with an opening through which the conductor penetrates.
本発明の電流測定装置によれば、３つ以上の磁気センサで検出された磁界強度信号に基づいて、外部のノイズ磁界の影響を除外して、導体の測定部位を流れる電流値を正確に測定できる。ゆえに、複数の導体が近接して配置されている状態であっても、目的の導体を流れる電流値だけを高精度に測定することが可能になる。 According to the current measuring device of the present invention, based on the magnetic field strength signals detected by three or more magnetic sensors, the influence of an external noise magnetic field is excluded, and the current value flowing through the conductor measurement site is accurately measured. it can. Therefore, even when a plurality of conductors are arranged close to each other, it is possible to measure only the current value flowing through the target conductor with high accuracy.
以下、図面を参照して、本発明に係る電流測定装置の一実施形態について説明する。なお、以下に示す実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴を分かりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率等が実際と同じであるとは限らない。
Hereinafter, an embodiment of a current measuring device according to the present invention will be described with reference to the drawings. The following embodiments are specifically described for better understanding of the gist of the invention, and do not limit the present invention unless otherwise specified.
In addition, in the drawings used in the following description, in order to make the features of the present invention easier to understand, there is a case where a main part is shown in an enlarged manner for convenience, and the dimensional ratio of each component is the same as the actual one. Not necessarily.
図１は、本実施形態の電流測定装置を示す概略斜視図である。また、図２は、第一基板の一面側（図２（ａ））、第二基板の一面側（図２（ｂ））をそれぞれ示す平面図である。
電流測定装置１０は、線状を成す導体（バスバー）１１と、この導体１１の任意の測定部位Ｓに配され、導体１１の長手方向Ｄに対して垂直に広がる一面（面）１２ａを有する第一基板（基体）１２Ａと、この第一基板１２Ａの一面１２ａに沿って、導体１１を取り巻くように離間して配された、３つ以上の磁気センサ１３、例えば４つの磁気センサ１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄを備えている。更に、本実施形態では、第一基板１２Ａに離間して対向するように配され、集積回路（演算部）２３を有する第二基板１２Ｂを備えている。また、電流測定装置１０は、これら第一基板１２Ａや第二基板１２Ｂを収容する筐体１９を備えている。
FIG. 1 is a schematic perspective view showing a current measuring apparatus according to the present embodiment. FIG. 2 is a plan view showing one surface side of the first substrate (FIG. 2A) and one surface side of the second substrate (FIG. 2B).
The
導体１１は、例えば銅、鉄、アルミニウム、銀などの導電材料から構成される。本実施形態においては、導体１１は、例えばバスバーと称される銅からなる細長い平板状の部材である。この導体１１は、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車を構成するバッテリーとモータとを接続する電気回路の一部であればよい。電流測定装置１０は、この導体１１中を電流が流れることによって形成される被測定磁界を測定し、この被測定磁界に基づいて電流値を算出する。
The
第一基板１２Ａは、非磁性体材料、例えば、樹脂基板からなる。第一基板１２Ａには、その中心部分から一方の周縁に向かって延びる切り込み状の導体貫通開口部１４ａが形成されている。この導体貫通開口部１４ａには、導体１１が貫通するように配される。導体貫通開口部１４ａの一端を第一基板１２Ａの一端側まで延長させることによって、導体１１の交換等を容易にすることができる。
The
第一基板１２Ａの一面１２ａに形成される磁気センサ１３は、この一面（面）１２ａに沿って導体１１を中心とした円周Ｒ上に等間隔に配置されている。即ち、円周Ｒ上において、互いに隣接する磁気センサ１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄどうしは、等角度、本実施形態では９０°の角度をあけて配されている。導体１１は、この一面１２ａと交わる部分が電流の測定部位Ｓとされる。また、この磁気センサ１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄからは、それぞれ第一基板１２Ａの一面１２ａに沿って配線１５が延び、第一基板１２Ａの一端側に形成されたコネクタ端子１６に接続されている。
The
図３は、それぞれの磁気センサが検知した磁界の方向（感磁方向ともいう）と、導体との位置関係を模式的に示した説明図である。この図３に示すように、磁気センサ１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄは、それぞれの感磁方向Ｍｓ１，Ｍｓ２，Ｍｓ３，Ｍｓ４が、円周Ｒの接線方向で、かつ円周Ｒに沿った一方向（図４における時計回り方向）に向くように配されている。こうした磁気センサ１３は、ホールセンサ用チップや、磁気抵抗効果用チップ、フラックスゲートセンサ用チップなど、ウエハプロセスによって形成されたチップが個別にパッケージングされたものであればよい。
FIG. 3 is an explanatory diagram schematically showing the positional relationship between the direction of the magnetic field detected by each magnetic sensor (also referred to as a magnetic sensing direction) and the conductor. As shown in FIG. 3, the
再び図１，２を参照して、第二基板１２Ｂは、非磁性体材料、例えば、樹脂基板からなる。第二基板１２Ｂには、その中心部分から一方の周縁に向かって延びる切り込み状の導体貫通開口部１４ｂが形成されている。この導体貫通開口部１４ｂには、導体１１が貫通するように配される。即ち、導体１１は、その長手方向Ｄに沿って、第一基板１２Ａの導体貫通開口部１４ａと、第二基板１２Ｂの導体貫通開口部１４ｂとを貫通するように配されている。
Referring to FIGS. 1 and 2 again, the
第二基板１２Ｂの一面１２ｂには、第一基板１２Ａのコネクタ端子１６に対してコネクタケーブル（図示略）を介して電気的に接続されるコネクタ端子２２が形成されている。また、第二基板１２Ｂの一面１２ｂには、磁気センサ１３から出力された、感磁方向の磁気強度に応じた磁気信号（磁界強度信号）を処理する集積回路（演算部）２３や、受動部品２４が形成されている。
A
更に、第二基板１２Ｂの一面１２ｂには、集積回路２３によって算出された、導体１１を流れる電流値を示す電流信号を出力する外部出力端子２５が形成されている。外部出力端子２５には、外部機器とこの電流測定装置１０とを接続する外部コネクタケーブル（図示せず）が接続される。筐体１９には、こうした外部コネクタケーブルを筐体１９内に導入するためのコネクタ開口部１８が形成されている。
なお、こうした第一基板１２Ａの一端と第二基板１２Ｂの一端とを接続する中間基板を更に配して、全体として略コ字型の基板としてもよい。
Further, an external output terminal 25 that outputs a current signal indicating a current value flowing through the
Note that an intermediate substrate that connects one end of the
筐体１９は、中空の箱体であり、例えば非磁性材料から構成される。筐体１９の形成材料としては、例えば、ポリスチレン、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンスルファイド等のプラスチック材料から構成されればよい。 The housing | casing 19 is a hollow box, for example, is comprised from a nonmagnetic material. As a forming material of the housing | casing 19, what is necessary is just comprised from plastic materials, such as a polystyrene, a polybutylene terephthalate, a polyphenylene sulfide, for example.
以上のような構成の本発明の電流測定装置１０の作用を説明する。
最初に磁界強度の測定メカニズムを図４を参照して説明する。なお、説明を明確にするため、磁気センサ４つは、測定対象の導体を中心とした半径５ｍｍの円周Ｒ上に等間隔に配置し、外部のノイズ磁界源として測定対象の導体から４０ｍｍ離れた位置にノイズ源の導体があると想定する。
The operation of the
First, the measurement mechanism of the magnetic field strength will be described with reference to FIG. For the sake of clarity, the four magnetic sensors are arranged at equal intervals on a circumference R with a radius of 5 mm centered on the conductor to be measured, and 40 mm away from the conductor to be measured as an external noise magnetic field source. Assume that there is a conductor of noise source at the specified position.
測定対象の電流が流れておらず、ノイズ源の導体には４００Ａの電流が流れている場合、円周上の接線方向の磁界強度を見ると、Ｘ軸とのなす角に対して図５に示すグラフのような磁界強度分布が生じる。アンペールの法則によれば、円周接線方向の磁界強度を円周方向に積分（周回積分）した値は、その円周内部に流れる電流量に比例する。図４の状態においては、磁気センサを配置した円周内部に流れる電流量は０であるため、図５に示したグラフの曲線の積分値も０になる。つまり、原理的には磁気センサを無限に配置してそれらの測定値の総和により、円周外にある外部のノイズ磁界を除去できることになる。 When the current to be measured does not flow and the current of 400 A flows through the noise source conductor, the magnetic field strength in the tangential direction on the circumference is shown in FIG. 5 with respect to the angle formed with the X axis. Magnetic field intensity distribution like the graph shown arises. According to Ampere's law, the value obtained by integrating the magnetic field strength in the circumferential tangential direction in the circumferential direction (circular integration) is proportional to the amount of current flowing inside the circumference. In the state of FIG. 4, since the amount of current flowing inside the circumference where the magnetic sensor is arranged is 0, the integrated value of the curve of the graph shown in FIG. 5 is also 0. That is, in principle, an external noise magnetic field outside the circumference can be removed by infinitely arranging magnetic sensors and summing up the measured values.
しかしながら、磁気センサは有限の大きさであるから、円周上に配置可能な数には限りがある。また、磁気センサの数を増加させるほど、検出回路の負荷が大きくなり、また、製造コストも高まるので、円周に配置する磁気センサの数を少なくする必要がある。 However, since the magnetic sensor has a finite size, the number that can be arranged on the circumference is limited. Further, as the number of magnetic sensors is increased, the load on the detection circuit is increased and the manufacturing cost is increased. Therefore, it is necessary to reduce the number of magnetic sensors arranged on the circumference.
一方で、磁気センサの数をを少なくすると、デメリットも生じる。例えば、導体を取り巻く円周上に磁気センサを４つ配置し、それらで検出される磁界強度は図５の点線で示されている。このときの周回積分値は、それぞれの磁気センサが検出した磁界強度の総和に円周の長さを積算することで算出が可能である。しかしながら、この演算によると台形近似を行って積分値を算出していることに等しいので、図５中のハッチング部分Ｈの面積分の誤差が生じる。実用上は磁気センサは３〜４個程度あれば、誤差の程度も比較的小さい。このため、製造コストとの兼ね合いから磁気センサの配置数は３個または４個が好ましい。 On the other hand, if the number of magnetic sensors is reduced, there is a disadvantage. For example, four magnetic sensors are arranged on the circumference surrounding the conductor, and the magnetic field strength detected by them is indicated by a dotted line in FIG. The circular integral value at this time can be calculated by adding the length of the circumference to the sum of the magnetic field intensities detected by the respective magnetic sensors. However, since this calculation is equivalent to calculating the integral value by performing trapezoidal approximation, an error corresponding to the area of the hatched portion H in FIG. 5 occurs. In practice, if there are about 3 to 4 magnetic sensors, the degree of error is relatively small. For this reason, the number of magnetic sensors arranged is preferably 3 or 4 in view of the manufacturing cost.
以上のような測定メカニズムをを踏まえて、外部のノイズ磁界の影響を排除して、測定対象の導体１１を流れる電流値を測定する。
長手方向Ｄに沿って導体１１にある電流値Ｉの電流が流れると、この導体１１の周囲の空間には、アンペールの法則に則った磁界強度Ｍの磁界が生じる。導体１１の測定部位Ｓにおいて、その周囲に配された磁気センサ１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄは、それぞれの感磁方向Ｍｓ１，Ｍｓ２，Ｍｓ３，Ｍｓ４における磁界強度Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４を検出する。検出された磁界強度Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４は、磁気信号としてコネクタ端子１６からコネクタケーブル（図示略）を介してコネクタ端子２２に流れ、集積回路２３に入力される。
Based on the above measurement mechanism, the value of the current flowing through the
When a current having a current value I flows in the
集積回路（演算部）２３は、以下の各式を用いて、４つの磁気センサ１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄでそれぞれ検出された磁界の磁界強度Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４に基づいて、導体の電流値Ｉを演算する。
The integrated circuit (arithmetic unit) 23 is based on the magnetic field strengths M 1 , M 2 , M 3 , and M 4 of the magnetic fields detected by the four
磁界強度Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４と導体１１の電流値Ｉとの関係は以下の式（１）で表される。
Ｍ１＝ｃ１Ｉ，Ｍ２＝ｃ２Ｉ，Ｍ３＝ｃ３Ｉ，Ｍ４＝ｃ４Ｉ …式（１）
なお、式（１）中のｃ１，ｃ２，ｃ３，ｃ４は、導体１１と磁気センサ１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄとの位置関係によって定まる定数であり、予め、外部のノイズ磁界が無い状態で、電流値Ｉと磁界強度Ｍｓとの関係を測定し、その関係を定義しておく。これら定数ｃ１，ｃ２，ｃ３，ｃ４は、予め集積回路２３のメモリ部分に記憶される。
The relationship between the magnetic field strengths M 1 , M 2 , M 3 , M 4 and the current value I of the
M 1 = c 1 I, M 2 = c 2 I, M 3 = c 3 I, M 4 = c 4 I (1)
Note that c 1 , c 2 , c 3 , and c 4 in the formula (1) are constants determined by the positional relationship between the
次に、磁気センサ１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄにそれぞれ印加される外部の（それぞれの感磁方向に沿った）ノイズ磁界の強度をＭｏ１，Ｍｏ２，Ｍｏ３，Ｍｏ４とすると、磁界強度Ｍｓとの関係は以下の式（２）で表される。
Ｍ１＝ｃ１Ｉ＋Ｍｏ１，Ｍ２＝ｃ２Ｉ＋Ｍｏ２，Ｍ３＝ｃ３Ｉ＋Ｍｏ３，Ｍ４＝ｃ４Ｉ＋Ｍｏ４…式（２）
Next, if the intensity of the external noise magnetic field (along the respective magnetic sensing directions) applied to the
M 1 = c 1 I + M o1 , M 2 = c 2 I + M o2 , M 3 = c 3 I + M o3 , M 4 = c 4 I + M o4 Formula (2)
また、導体１１を流れる電流が０の状態では、４つの磁気センサ１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄに印加される（それぞれの感磁方向に沿った）外部のノイズ磁場の強度の総和は、式（３）に示すようにほぼ０となる。
Ｍｏ１＋Ｍｏ２＋Ｍｏ３＋Ｍｏ４＝０ …式（３）
When the current flowing through the
M o1 + M o2 + M o3 + M o4 = 0 Equation (3)
これら式（２）および式（３）から、導体１１の測定部位Ｓを流れる電流値Ｉは、次式（４）で表される。
Ｉ＝（Ｍ１＋Ｍ２＋Ｍ３＋Ｍ４）／（ｃ１＋ｃ２＋ｃ３＋ｃ４） …式（４）
From these formulas (2) and (3), the current value I flowing through the measurement site S of the
I = (M 1 + M 2 + M 3 + M 4 ) / (c 1 + c 2 + c 3 + c 4 ) (4)
なお、上記式（４）は、導体を取り巻くように磁気センサを４つ配した場合であるが、磁気センサの個数をｎ個（ｎは３以上の整数）とした時には、導体を流れる電流値Ｉは次式（５）で表される。 The above formula (4) is a case where four magnetic sensors are arranged so as to surround the conductor, but when the number of magnetic sensors is n (n is an integer of 3 or more), the value of the current flowing through the conductor I is represented by the following formula (5).
以上のような各式を用いて、集積回路２３は、４つの磁気センサ１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄで検出された磁界強度信号に基づいて、導体１１の測定部位Ｓを流れる電流値Ｉを算出する。これにより、外部のノイズ磁界、例えば、測定対象の導体１１の近傍に配されたノイズ源となる導体から生じるノイズ磁界の影響を取り除いて、導体１１を流れる電流を、非接触で高精度に測定することができる。よって、ハイブリッド自動車や電気自動車など、複数の導体が近接して配置されている状態であっても、目的の導体、例えばバッテリーとモータとを接続する導体を流れる電流値だけを高精度に測定し、バッテリーの使用量や充電時の電力量を、正確にモニタリングすることが可能になる。
Using the above equations, the
なお、上述した実施形態では、導体１１の周囲に、第一基板１２Ａの一面１２ａに沿って設定した円周Ｒ上に４つの磁気センサ１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄを配置している。しかし、磁気センサの配置は、円周上であることに限定されるものではない。例えば、導体を取り巻くように楕円周を設定し、この楕円周上に３つ以上の磁気センサを均等に配置することも好ましい。特に導体が平板状の部材である場合、磁気センサを楕円周上に配置することによって、より導体の形状に適合した磁気センサの配置となる。
In the embodiment described above, the four
また、上述した実施形態では、基体の一例として第一基板１２Ａと第二基板１２Ｂの２つの基板を備えているが、１つの基板に導体貫通開口部、磁気センサ、集積回路等を実装した構成であってもよい。
Further, in the above-described embodiment, the
また、上述した実施形態では、４つの磁気センサ１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄは、第一基板１２Ａの一面（面）１２ａに沿って配されている。しかし、磁気センサは基板の一面に配される以外にも、導体の長手方向に垂直な面に沿って、例えば、細いフレーム等で支持されていてもよく、広い面を持つ部材に形成した形態に限定されるものではない。
In the above-described embodiment, the four
磁気センサの形成個数と、導体の電流値との誤差を検証した。
ここでは、磁気センサの個数と誤差の関係をシミュレーションで検討した結果を示す。本発明での磁気センサの配置は、図６のように、円周上に等間隔に配置し、それぞれの磁気センサの感磁方向は円の接線方向と一致している。次に、本発明の電流センサの外部からノイズが入った場合の誤差をシミュレーションするために、図７のような磁気センサの配置を想定する。ノイズを発生させる導体（以後、隣接導体）は、測定対象の電流が流れる導体（以後、測定導体）に対して距離Ｌだけ離れており、測定導体と同量の電流が同方向（紙面手前から奥側に向かって）に流れていると想定する。
The error between the number of magnetic sensors formed and the current value of the conductor was verified.
Here, the result of examining the relationship between the number of magnetic sensors and error by simulation is shown. As shown in FIG. 6, the magnetic sensors in the present invention are arranged at equal intervals on the circumference, and the magnetic sensitive directions of the respective magnetic sensors coincide with the tangential direction of the circle. Next, in order to simulate an error when noise enters from the outside of the current sensor of the present invention, an arrangement of the magnetic sensor as shown in FIG. 7 is assumed. A conductor that generates noise (hereinafter referred to as an adjacent conductor) is separated by a distance L from a conductor through which a current to be measured flows (hereinafter referred to as a measurement conductor), and the same amount of current as that of the measurement conductor is in the same direction (from the front of the page). Suppose that it flows to the back).
磁気センサは半径ａの円周上に等間隔に配置されており、感磁方向は円の接線方向と一致している。Ｌ＝５ａにおいて、隣接導体が測定導体との距離を一定にして位置を変えた時、言い換えると半径Ｌの円周に沿って回転した時の誤差と角度の関係を、図８〜９に示す。図８は磁気センサ２個の場合、図９は磁気センサ３個の場合、図１０は磁気センサ４個の場合をそれぞれ示す。 The magnetic sensors are arranged at equal intervals on the circumference of the radius a, and the magnetic sensing direction coincides with the tangential direction of the circle. FIGS. 8 to 9 show the relationship between the error and angle when the adjacent conductor changes its position at a constant distance from the measurement conductor at L = 5a, in other words, when it rotates along the circumference of the radius L. . 8 shows the case of two magnetic sensors, FIG. 9 shows the case of three magnetic sensors, and FIG. 10 shows the case of four magnetic sensors.
これら図８〜９に示すグラフによれば、測定誤差の大きさは角度依存性があるが、特定の角度において最大値、最小値を取ることがわかる。この最大値だけを比較すると、磁気センサが２個では８．３％、磁気センサが３個では２．４％、磁気センサが４個では０．６％となっており、従来知られている磁気センサを２個配置した場合と比較して、本発明のように磁気センサを３個以上配置したほうが、測定誤差を大幅に低減できることがわかる。 According to the graphs shown in FIGS. 8 to 9, it can be seen that the magnitude of the measurement error is angle-dependent, but takes a maximum value and a minimum value at a specific angle. Comparing only this maximum value, it is known as 8.3% with two magnetic sensors, 2.4% with three magnetic sensors, and 0.6% with four magnetic sensors. It can be seen that the measurement error can be greatly reduced when three or more magnetic sensors are arranged as in the present invention, compared to the case where two magnetic sensors are arranged.
更に、配置する磁気センサの数を５個、６個、１０個とした場合の、測定誤差と磁気センサの個数との関係を図１１に示す。磁気センサの個数の増加に伴い、指数関数的に測定誤差が減少することがわかる。しかしながら、磁気センサを増やすことは演算負荷の増加や、信号処理回路規模の増加を伴うコストの増加もあるため、実用上は４個程度が最も好ましい。 Further, FIG. 11 shows the relationship between the measurement error and the number of magnetic sensors when the number of magnetic sensors to be arranged is 5, 6, or 10. It can be seen that the measurement error decreases exponentially as the number of magnetic sensors increases. However, increasing the number of magnetic sensors increases the calculation load and the cost associated with an increase in the size of the signal processing circuit.
次に、実施形態で示した電流値の算出方法において、磁気センサの位置がずれた際の誤差の影響について検証した。
一般的に、電流センサの構成部材を組み付けたあとに感度の校正を行うことにより、磁気センサ自身の感度のばらつきや測定導体との位置関係による感度のばらつきは補正することが可能である。しかし、前述したとおり、隣接導体による誤差の影響は複雑であり、単純な補正により低減することは困難である。
Next, in the current value calculation method shown in the embodiment, the influence of the error when the position of the magnetic sensor is shifted was verified.
In general, by calibrating the sensitivity after assembling the constituent members of the current sensor, it is possible to correct the variation in sensitivity of the magnetic sensor itself and the variation in sensitivity due to the positional relationship with the measurement conductor. However, as described above, the influence of the error due to the adjacent conductor is complicated, and it is difficult to reduce it by simple correction.
そこで、磁気センサの位置がばらついた時に、隣接導体から生じる磁界による測定誤差がどの程度ばらつくかをシミュレーションした。磁気センサと測定導体、隣接導体の配置は図６と同様にして、θ＝０°、Ｌ＝５ａ、磁気センサは４個で磁気センサの位置がＸ方向、Ｙ方向それぞれに−１％〜＋１％の間でばらついた際の誤差を計算した。 Therefore, a simulation was performed to determine how much the measurement error due to the magnetic field generated from the adjacent conductor varies when the position of the magnetic sensor varies. The arrangement of the magnetic sensor, the measurement conductor, and the adjacent conductor is the same as in FIG. 6, θ = 0 °, L = 5a, four magnetic sensors, and the position of the magnetic sensor is −1% to +1 in each of the X direction and the Y direction. The error when varying between% was calculated.
その結果、誤差が０．４％〜０．８％の範囲でばらつくことがわかった。設計中心の位置に置かれていた場合の誤差が０．６％であったので、位置ずれによるばらつきは±０．２％であると考えられる。よって、本発明の電流測定装置によれば、磁気センサの位置がずれたとしても外部からのノイズを十分に除去できることが分かった。 As a result, it was found that the error varies in the range of 0.4% to 0.8%. Since the error in the case of being placed at the position of the design center was 0.6%, the variation due to the positional deviation is considered to be ± 0.2%. Therefore, according to the current measuring device of the present invention, it has been found that even if the position of the magnetic sensor is displaced, noise from the outside can be sufficiently removed.
次に、導体の形状に応じた適切な磁気センサの配置について検証した。
これまでの検証（実施例）では、測定導体の断面形状は円形を想定していたが、実際には導体断面は矩形状をしていることが多い。この場合においても、磁気センサの配置を導体の断面形状にあわせて、特定の位置に置くことにより、本発明の計算方法が有効であることを検証した。一例として、図１２のような配置を想定する。なお、以下の寸法に関する説明は、測定導体の厚みを１としたときの比率として説明する。
Next, it verified about arrangement | positioning of the appropriate magnetic sensor according to the shape of a conductor.
In the verification (examples) so far, the cross-sectional shape of the measurement conductor is assumed to be circular, but in reality, the cross-section of the conductor is often rectangular. Even in this case, it was verified that the calculation method of the present invention is effective by placing the magnetic sensor at a specific position in accordance with the cross-sectional shape of the conductor. As an example, an arrangement as shown in FIG. 12 is assumed. In addition, the description regarding the following dimension demonstrates as a ratio when the thickness of a measurement conductor is set to 1.
測定導体は、幅が１０であり、隣接導体は同じ大きさで、電流量は同量、同じ方向（紙面手前から奥側に向かって）に流れていると想定する。磁気センサの位置はＸ方向±４、Ｙ方向±１．５の４箇所に位置しており、感磁方向は４点を通る接線の方向と一致している。隣接導体の距離を変化させた時、本発明の計算方法での誤差を図１３に示す。図１３の横軸は、測定導体の厚みを１としたときの比率として「規格化距離」として記載している。これを見ると、隣接導体が規格化距離１０の位置でも誤差が１％となっており、特定の磁気センサの配置にすることによって本発明が有効であることが確認された。 It is assumed that the measurement conductor has a width of 10, the adjacent conductors have the same size, and the same amount of current flows in the same direction (from the front to the back of the page). The position of the magnetic sensor is located at four locations in the X direction ± 4 and the Y direction ± 1.5, and the magnetosensitive direction coincides with the tangential direction passing through the four points. FIG. 13 shows an error in the calculation method of the present invention when the distance between adjacent conductors is changed. The horizontal axis in FIG. 13 describes “standardized distance” as a ratio when the thickness of the measurement conductor is 1. As seen from this, the error is 1% even when the adjacent conductor is at the standardized distance of 10, and it was confirmed that the present invention is effective by arranging a specific magnetic sensor.
１０…電流測定装置、１１…導体、１２Ａ…第一基板（基体）、１２Ｂ…第二基板、１２ａ…一面（面）、１３…磁気センサ、１９…筐体、２３…集積回路（演算部）。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記測定部位において、前記導体の長手方向に対して垂直な面を仮定した場合、該面内で前記導体を取り巻くように互いに離間して配された、３つ以上の磁気センサと、
前記磁気センサが個別に検知した磁界の方向に沿った磁界強度を線形結合することによって、前記導体中の電流値を算出する演算部と、
を含むことを特徴とする電流測定装置。 A current measuring device for measuring a current flowing through an arbitrary measurement portion of a conductor having a linear shape,
In the measurement site, assuming a plane perpendicular to the longitudinal direction of the conductor, three or more magnetic sensors arranged apart from each other so as to surround the conductor in the plane;
An arithmetic unit that calculates a current value in the conductor by linearly combining magnetic field strength along the direction of the magnetic field individually detected by the magnetic sensor;
A current measuring device comprising:
The current measuring device according to claim 1, further comprising a base on which the magnetic sensor is disposed, wherein the base is formed with an opening through which the conductor penetrates.
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