(57)【要約】【課題】本発明は、大電流にも対応でき、小型で消費電力の小さい電流センサを提供することを目的とするものである。【解決手段】電流線１１を流れる電流により生じる被測定磁界を検出する磁気検出素子１３と、磁気検出素子１３を囲むキャンセルコイル１４と、このキャンセルコイル１４を囲む筒状の磁性体コア１５とを備え、電流線１１を流れる電流により生じる被測定磁界の磁界方向に、筒状の磁性体コア１５の開口部１７がくるように配置した電流センサ。【選択図】図２
2012198085.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流線の一面上に配置され、前記電流線を流れる電流を検出する電流センサであって、前記電流センサは、前記電流線を流れる電流により生じる被測定磁界を検出する磁気検出素子と、前記磁気検出素子を囲むキャンセルコイルと、このキャンセルコイルを囲む筒状の磁性体コアとを備え、前記電流線を流れる電流により生じる被測定磁界の磁界方向に、前記筒状の磁性体コアの開口部がくるように配置した電流センサ。
【請求項２】
前記筒状の磁性体コアの内壁にほぼ沿わせて前記キャンセルコイルを配置した請求項１記載の電流センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定電流が流れる電流線の周囲に発生する磁界により、被測定電流を検出する電流センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年ハイブリッドカー、ＥＶ車等のバッテリー電流や、電気モータの駆動電流等を検知するために電流センサが必要となってきている。これに対して、図６のように、電流線１を囲むギャップ付リング型磁心２にキャンセルコイル３を巻き、ギャップ部分にホール素子４を配置して、キャンセルコイル３に流す電流によって、電流線１に流れる電流を測定していた。
【０００３】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３８８３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来の構成によれば、電流線をギャップ付リング型磁心が囲む必要があり、形状が大きくなってしまう。また２００Ａ程度の大きな電流を流す電流線は、その断面積も大きくなっていき、磁気飽和を防ぐためにリング型磁心も大きくする必要がある。そのため電流センサの形状がさらに大きくなるとともに、この電流を検出しようとすると、キャンセルコイルに大きな電流を流す必要があり、消費電力が大きなものとなってしまっていた。
【０００６】
本発明は、小型で消費電力の小さな電流センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は上記課題を解決するために、電流線の一面上に配置され、電流線を流れる電流を検出する電流センサであって、この電流センサは、電流線を流れる電流により生じる被測定磁界を検出する磁気検出素子と、磁気検出素子を囲むキャンセルコイルと、このキャンセルコイルを囲む筒状の磁性体コアとを備え、電流線を流れる電流により生じる被測定磁界の磁界方向に、筒状の磁性体コアの開口部がくるように配置したものである。
【発明の効果】
【０００８】
上記構成により、電流線を囲むリング型磁心を設ける必要が無く、電流線の一面上に配置するのみであるので、全体として小型化を達成することができるとともに、大電流が流れることにより電流線の周囲に大きな磁束が発生しても、多くの磁束は筒状の磁性体コアの方に吸収され、一部のみが磁気検出素子に到達するため、消費電流を低減することができる。さらにキャンセルコイルを筒状の磁性体コアが覆っているため、少ない電流でキャンセル磁場を発生させることができ、より消費電流の低減を図ることができる。さらに、電流線を流れる電流によって発生する磁界方向以外は筒状の磁性体コアで覆っているため、外乱による影響も受けにくくなる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施の形態における電流センサの斜視図
【図２】本発明の一実施の形態における電流センサの断面図
【図３】本発明の一実施の形態における磁気検出素子の断面図
【図４】本発明の一実施の形態における電流センサの動作を説明するための回路図
【図５】本発明の一実施の形態における別の電流センサの断面図
【図６】従来の電流センサの斜視図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の一実施の形態における電流センサについて、図面を参照しながら説明する。
【００１１】
図１は、本発明の一実施の形態における電流センサの斜視図であり、電流Ｉが流れる電流線１１の上に電流センサ１２が設置されたものであり、図２はその断面図である。電流線１１は銅からなり、その断面が２０ｍｍ×５ｍｍの矩形形状をしたものを用い、幅が広い方の面上に電流センサ１２が配置されている。
【００１２】
電流センサ１２は、磁気検出素子１３と、この磁気検出素子１３の周囲を囲んで周回させたキャンセルコイル１４と、このキャンセルコイル１４を囲む筒状の磁性体コア１５と、から構成され、その平面形状が５ｍｍ×５ｍｍ、高さ３ｍｍとなっている。キャンセルコイル１４は絶縁被覆された銅線を非磁性体からなるボビン１６に巻きつけたものであり、磁気検出素子１３はボビン１６の中心部に固定されている。筒状の磁性体コア１５は鉄合金からなる角筒状の形状を有し、キャンセルコイル１４を巻いたボビン１６がその中に挿入されている。筒状の磁性体コア１５の開口部１７は、キャンセルコイル１４の巻き軸方向にくるようになっている。電流センサ１２は、筒状の磁性体コア１５の開口部１７が、電流線１１を流れる電流Ｉにより生じる被測定磁界の磁界方向（すなわち電流Ｉが流れる方向と垂直な方向）にくるように設置されている。
【００１３】
図３は磁気検出素子１３の断面図であり、図３（ａ）は、磁気検出素子１３を水平に切った時の断面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ線で切った時の断面図である。
【００１４】
図３に示すように、セラミック等の絶縁基板２１上に形成された磁気抵抗素子２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄからなり、これらはＮｉ−Ｃｏ等の強磁性体からなる厚み約０．１μｍの磁気抵抗薄膜である。そして、磁気抵抗素子２０ａ、２０ｂおよび磁気抵抗素子２０ｃ、２０ｄは各々直列に接続され、パターンの長手方向が互いに直交している。入力電極２２ａは絶縁基板２１上に形成されているもので、磁気抵抗素子２０ａおよび磁気抵抗素子２０ｄと電気的に接続されている。第１の出力電極２２ｂも絶縁基板２１上に形成されており、磁気抵抗素子２０ａおよび磁気抵抗素子２０ｂと電気的に接続されている。同様にしてグランド電極２２ｃ、第２の出力電極２２ｄも絶縁基板２１上に形成されており、各々磁気抵抗素子２０ｂおよび磁気抵抗素子２０ｃ、磁気抵抗素子２０ｃおよび磁気抵抗素子２０ｄと電気的に接続されている。
【００１５】
２３は絶縁層で、この絶縁層２３は厚みが約１μｍのＳｉＯ2薄膜からなり、磁気抵抗素子２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄを覆うことにより後述する薄膜磁石２４からなるバイアス磁界発生手段との電気的絶縁を行うものである。
【００１６】
２４は薄膜磁石で、この薄膜磁石２４は厚みが約０．６μｍのＣｏＰｔ等からなり、絶縁層２３の上に蒸着、スパッタ法等により形成した後、露光、エッチングによりパターニングすることにより、磁気抵抗素子２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄの磁気検出方向と４５度をなす方向に長手方向を有する複数の略長方体に分割されているものである。そして、この複数の略長方体形状の薄膜の幅方向にきわめて大きな磁界を印加することにより、略長方体形状の薄膜が幅方向に磁化されて、薄膜磁石２４を得ることができ、磁気抵抗素子２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄの磁気検出方向に対して４５度をなす方向にバイアス磁界ＨBが印加されることになる。この磁気検出素子１３は、バイアス磁界ＨBの方向と電流Ｉの方向とがほぼ一致するように配置される。
【００１７】
図４は本発明の一実施の形態における電流センサ１２の動作を説明するための回路図を示したもので、磁気検出素子１３の入力電極２２ａとグランド電極２２ｃとの間には定電圧を印加する電源２６が接続されている。また、この図４において、２７は第１の出力電極２２ｂと第２の出力電極２２ｄの電位差を検出する検出部で、この検出部２７の出力信号によって電流制御部２８がキャンセルコイル１４に流れる電流を制御している。２９は出力変換部で、この出力変換部２９はキャンセルコイル１４に流れる電流による負荷抵抗３０での電圧降下を増幅して出力端子３１に出力するものである。
【００１８】
電流線１１に流れる電流が零の時、バイアス磁界ＨBのみが磁気抵抗素子２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄに対して一定の角度（４５度）をなすように印加されるため、磁気抵抗素子２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄは実質的に同一の抵抗値となる。このため、磁気抵抗素子ブリッジは平衡し、第１の出力電極２２ｂと第２の出力電極２２ｄは同電位となり、検出部２７から信号は出力されない。これにより、キャンセルコイル１４と負荷抵抗３０に電流が流れないため、出力端子３１には出力電圧は現れないことになる。
【００１９】
電流線１１に電流Ｉが流れると、この電流Ｉによる磁界ＨIが発生して磁界検出素子に印加され、磁気抵抗素子２０ａ、２０ｃの抵抗が小さくなるとともに、磁気抵抗素子２０ｂ、２０ｄの抵抗が大きくなる。このため、磁気抵抗素子ブリッジの平衡が破れ、第１の出力電極２２ｂと第２の出力電極２２ｄとの間に電位差が発生する。この電位差は検出部２７で検出されて電流制御部２８に入力される。電流制御部２８はこの電位差に基づいてキャンセルコイル１４に電流を流して、この電流による磁界Ｈcを発生させ、磁気抵抗素子２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄに印加される正味の磁界を薄膜磁石２４から発生するバイアス磁界ＨBのみとすることにより、磁気抵抗素子ブリッジの電位差を零にするように動作する。こうして再び磁気抵抗素子ブリッジが平衡した時、負荷抵抗３０の両端に発生する電圧をモニターして適度に増幅すれば、電流線１１に流れる電流に対応した信号が出力端子３１に出力されることになる。
【００２０】
以上のように構成することにより、電流線１１に電流Ｉが流れた時に発生する磁界のうち電流センサ１２に向かうものは、その多くが筒状の磁性体コア１５の方に流れ、その一部がその開口部１７の方に流れ、磁気検出素子１３を通ることとなる。電流線１１に大電流が流れすぎると、発生する磁界が強くなりすぎ、磁気検出素子１３が飽和してしまうことがあるが、本実施の形態のように筒状の磁性体コア１５の開口部１７が磁界の方向になるように配置し、その中に磁気検出素子１３を配置することにより、大電流に対しても十分に検出できるようにすることができる。
【００２１】
さらに大電流が流れた場合、その磁界をキャンセルするために、キャンセルコイル１４に大きな電流を流す必要があり、このことにより消費電力が大きくなるという課題があった。これに対し本実施の形態のように、キャンセルコイル１４の周囲を、その巻き軸方向以外を筒状の磁性体コア１５で覆うことにより、キャンセルコイル１４のインダクタンス値を増大させることができ、結果としてキャンセルコイル１４に流す電流を低減することができる。
【００２２】
キャンセルコイル１４に流す電流を低減するためには、キャンセルコイル１４と筒状の磁性体コア１５内壁とは、間に何も挟まずに、キャンセルコイル１４がなるべく筒状の磁性体コア１５の内壁に沿った状態になるようにすることが望ましい。このようにすることによりキャンセルコイル１４のインダクタンス値を上げることができるため、消費電流をより低減することができる。
【００２３】
さらに、電流線１１を流れる電流Ｉによって発生する磁界方向以外は磁気検出素子１３を筒状の磁性体コア１５で覆っているため、外乱による影響も受けにくくなり、電流センサの検出精度を向上させることができる。
【００２４】
なお、上記実施の形態において筒状の磁性体コア１５は、鉄合金からなる角筒状の形状のものを用いたが、例えば平板状の磁性体板を折り曲げることによって角筒状の形状にしたものでも良い。またフェライトのコアを用いても良い。さらに、筒状のコアの中にキャンセルコイルを巻いたボビンを挿入する代わりに、図５のように断面がコの字状の磁性体コア１８をキャンセルコイル１４にはめ込むことにより、実質的に筒状になるようにしても良い。このようにすることにより、磁性体コアの製造および電流センサの組み立てが容易なものとなる。通常コの字状の磁性体コアを組み合わせると、その突合せた面で磁気ギャップが生じるが、図５のように、キャンセルコイルの巻き軸方向には磁気ギャップが生じないため、影響を受けることはない。
【００２５】
また、本実施の形態においては電流線の一面上に電流センサを配置しているが、さらにその反対側の面にも同様の電流センサを配置しても良い。このようにすることにより、地磁気等の外乱の影響をキャンセルすることができ、さらに精度を向上させることができる。
【００２６】
なお、本実施の形態においては電流線をその断面が矩形形状のものを用いたが、断面が円形のものを用いても構わない。この場合、電流線の径方向に磁気検出素子を配置することにより、同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明に係る電流センサは、大電流にも対応でき、小型で消費電力の小さい電流センサを提供することができ、産業上有用である。
【符号の説明】
【００２８】
１１  電流線
１２  電流センサ
１３  磁気検出素子
１４  キャンセルコイル
１５  筒状の磁性体コア
１６  ボビン
１７  開口部
１８  磁性体コア
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ  磁気抵抗素子
２１  絶縁基板
２２ａ  入力電極
２２ｂ  第１の出力電極
２２ｃ  グランド電極
２２ｄ  第２の出力電極
２３  絶縁層
２４  薄膜磁石
２６  電源
２７  検出部
２８  電流制御部
２９  出力変換部
３０  負荷抵抗
３１  出力端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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