JP5504481B2 - 磁気平衡式電流センサ - Google Patents

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子やホール素子などの磁気検出素子を用いた磁気平衡式電流センサに関する。

電気自動車においては、電気を用いてモータを駆動しており、このモータ駆動用の電流の大きさは、例えば電流センサにより検出される。この電流センサとしては、例えば、図３に示すような磁気平衡式電流センサがある（特許文献１）。この磁気平衡式電流センサは、導体１２の周囲に、一部に切り欠き（コアギャップ）Ｇを有する磁気コア１１を配置し、このコアギャップＧ内に磁気検出素子１３を配置してなるものである。

図３に示す磁気平衡式電流センサは、被測定電流によって発生する磁界を打ち消す方向に磁気コア１１に巻回されたフィードバックコイルＬ１を有している。磁気平衡式電流センサにおいては、被測定電流が流れると、電流に応じた磁界により磁気検出素子１３に出力電圧が生じ、この磁気検出素子１３から出力された電圧信号が電流に変換されてフィードバックコイルＬ１にフィードバックされる。このフィードバックコイルＬ１により発生する磁界（キャンセル磁界）と被測定電流により生じる磁界とが打ち消しあって磁界が常に０になるように動作する。このとき、フィードバックコイルＬ１に流れるフィードバック電流を電圧変換させて出力として取り出す。

特開２００４−２７９２２６号公報

近年、電気自動車の大出力化・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、そのため大電流を測定する必要がある。大電流を測定する場合、フィードバック電流も比例して大きくなるため、消費電力も大きくなるという問題がある。特に、電気自動車などでは、大電流を少ない電力で精度よく測定する必要があり、しかも、センサ自体は小型、軽量であることが求められる。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、小型、軽量で精度も良く、大電流測定時にも消費電力を抑えることができる磁気平衡式電流センサを提供することを目的とする。

本発明の磁気平衡式電流センサは、導体に通流される被測定電流からの誘導磁界により特性が変化する磁気検出素子と、前記磁気検出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と、前記導体と前記磁気検出素子及び前記フィードバックコイルとの間に配置されており、前記誘導磁界を減衰させる磁束減衰手段と、を具備し、前記磁束減衰手段は、中空容器内に磁性流体を封入してなることを特徴とする。

この構成によれば、磁束減衰手段により誘導磁界を減衰することができるので、誘導磁界を打ち消すキャンセル磁界を小さくすることができる。すなわち、フィードバック電流を小さくすることができる。その結果、大電流を測定する際にも消費電力を抑えることができる。また、この構成によれば、磁気平衡式であるので、精度良く電流を測定することができる。さらに、この構成によれば、磁気コアが不要であるので、小型、軽量である。

本発明の磁気平衡式電流センサにおいては、前記中空容器は、非磁性材料で構成されていることが好ましい。この場合において、前記非磁性材料が樹脂材料であることが好ましい。

本発明の磁気平衡式電流センサにおいては、前記磁気検出素子が磁気抵抗効果素子又はホール素子であることが好ましい。

本発明の磁気平衡式電流センサは、導体に通流される被測定電流からの誘導磁界により特性が変化する磁気検出素子と、前記磁気検出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と、前記導体と前記磁気検出素子及び前記フィードバックコイルとの間に配置されており、前記誘導磁界を減衰させる磁束減衰手段と、を具備し、前記磁束減衰手段は、中空容器内に磁性流体を封入してなるので、小型、軽量で精度も良く、大電流測定時にも消費電力を抑えることができる。

本発明の実施の形態１に係る磁気平衡式電流センサを示す図であり、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は側面図である。 本発明の実施の形態２に係る磁気平衡式電流センサを示す図であり、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は側面図である。 従来の磁気平衡式電流センサを示す図である。

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。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る磁気平衡式電流センサを示す図であり、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は側面図である。

図１において、参照符号１は電力供給ラインである導体（バスバー）１を示す。この導体１は、断面略矩形状の平板形状を有する。この導体１の主表面上に磁束減衰器２が配設されている。この磁束減衰器２も平板形状を持つ。磁束減衰器２上には、基板３が配設されている。この基板３には、磁気検出素子である磁気センサ４と、演算手段であるＩＣ６とが実装されている。また、基板３には、フィードバックコイル５が形成されている。磁束減衰器２と、基板３上の磁気センサ４、フィードバックコイル５及びＩＣ６とで磁気平衡式電流センサを構成しており、磁気平衡式電流センサが導体１の近傍、ここでは導体１上に配設されている構成となっている。

導体１は、磁気平衡式電流センサの被測定電流を通流する電力供給ラインである。ここでは、導体１が断面略矩形状の平板形状を有する場合について図示しているが、導体１は、その上に磁気平衡式電流センサが配設できれば形状に特に制限はない。

磁束減衰器２は、導体に通流した被測定電流により生じた誘導磁界を減衰させるものである。磁束減衰器２は、中空容器内に磁性流体を封入してなる。磁性流体とは、直径数ｎｍ〜数十ｎｍの磁性超微粒子と、主成分である水、有機溶剤又は油などの液体（分散媒）と、磁性超微粒子に吸着して磁性超微粒子を分散媒に安定に分散させるための界面活性剤とを含む３成分コロイド溶液である。磁性流体中の磁性超微粒子は、極めて小さいことと、その表面に界面活性剤層があるために磁性超微粒子同士で反発力が働くことなどにより、凝集や沈降が起こらず、安定な分散状態を保つ。

磁束減衰器２においては、磁気センサ４の出力にヒステリシスが生じることを防止するために、その中空容器の材料を非磁性材料にすることが望ましい。特に、容量結合を介して導体（バスバー）１から磁気センサ４に飛び込む静電ノイズを低減するためには、誘電率の小さい絶縁体が好ましく、このことを考慮すると、中空容器の材料を樹脂材料にすることが好ましい。ここでは、磁束減衰器２が平板形状を有する場合について図示しているが、磁束減衰器２は、導体１に配設でき、その上に基板３が配設できれば形状に特に制限はない。

磁気検出素子である磁気センサ４は、導体１に通流される被測定電流からの誘導磁界により特性が変化する。本実施の形態においては、磁気センサ４が磁気抵抗効果素子を含む場合について説明する。磁気抵抗効果素子としては、スピンバルブ型ＧＭＲ素子やスピンバルブ型ＴＭＲ素子などを用いることができる。磁気抵抗効果素子においては、被測定電流からの誘導磁界の印加により特性（抵抗値）が変化する。

フィードバックコイル５は、磁気センサ４の近傍に配置され、導体１に流れる被測定電流による誘導磁界を相殺する磁界（キャンセル磁界）を発生する。フィードバックコイル５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、磁気平衡式電流センサを小型、軽量で構成することができる。また、平面コイルは、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、被測定電流が交流の場合に、フィードバックコイル５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５を平面コイルで構成する場合においては、平面コイルの形成面と平行な面内で誘導磁界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。

被測定電流により生じた誘導磁界に応じた電圧差としての出力がフィードバックコイル５に電流（フィードバック電流）として与えられる。すなわち、このフィードバック電流は、誘導磁界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５には、誘導磁界を相殺するキャンセル磁界が発生する。そして、誘導磁界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５に流れる電流に基づいて被測定電流を測定する。このような制御は、基板３上の磁気センサ４、フィードバックコイル５及びＩＣ６により行われる。

上記構成の磁気平衡式電流センサにおいては、導体１と基板３との間に、すなわち、導体１と磁気センサ４及びフィードバックコイル５との間に、磁束減衰器２が配設されている。これにより、被測定電流から磁気センサ４に印加される誘導磁界を小さくすることができる。したがって、フィードバックコイル５からのキャンセル磁界を小さくすることができ、大電流測定時にも消費電力を抑えることができる。また、上記構成の磁気平衡式電流センサにおいては、磁束減衰器２に磁性流体が含まれている。磁性流体は、磁界が零の時は磁性の無い単なる液体であり、磁界を作用させることで磁化し、磁界を取り除くと磁化は再び消滅する、超常磁性を示す。このため、磁性流体は残留磁化及びヒステリシスを示さない。したがって、上記構成の磁気平衡式電流センサは、ヒステリシスのない高精度の出力（電流値）を示すことができる。

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２に係る磁気平衡式電流センサを示す図であり、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は側面図である。

図２において、参照符号１は電力供給ラインである導体（バスバー）１を示す。この導体１は、断面略矩形状の平板形状を有する。この導体１の主表面上に磁束減衰器２が配設されている。この磁束減衰器２も平板形状を持つ。磁束減衰器２上には、基板３が配設されている。この基板３には、磁気検出素子である磁気センサ７と、演算手段であるＩＣ６とが実装されている。また、基板３には、フィードバックコイル８が形成されている。磁束減衰器２と、基板３上の磁気センサ７、フィードバックコイル８及びＩＣ６とで磁気平衡式電流センサを構成しており、磁気平衡式電流センサが導体１の近傍、ここでは導体１上に配設されている構成となっている。

導体１は、磁気平衡式電流センサの被測定電流を通流する電力供給ラインである。ここでは、実施の形態１と同様に、導体１が断面略矩形状の平板形状を有する場合について図示しているが、導体１は、その上に磁気平衡式電流センサが配設できれば形状に特に制限はない。

磁束減衰器２は、導体に通流した被測定電流により生じた誘導磁界を減衰させるものである。磁束減衰器２は、中空容器内に磁性流体を封入してなる。磁性流体とは、直径数ｎｍ〜数十ｎｍの磁性超微粒子と、主成分である水、有機溶剤又は油などの液体（分散媒）と、磁性超微粒子に吸着して磁性超微粒子を分散媒に安定に分散させるための界面活性剤とを含む３成分コロイド溶液である。磁性流体中の磁性超微粒子は、極めて小さいことと、その表面に界面活性剤層があるために磁性超微粒子同士で反発力が働くことなどにより、凝集や沈降が起こらず、安定な分散状態を保つ。

磁束減衰器２においては、磁気センサ７の出力にヒステリシスが生じることを防止するために、その中空容器の材料を非磁性材料にすることが望ましい。特に、容量結合を介して導体（バスバー）１から磁気センサ７に飛び込む静電ノイズを低減するためには、誘電率の小さい絶縁体が好ましく、このことを考慮すると、中空容器の材料を樹脂材料にすることが好ましい。ここでは、磁束減衰器２が平板形状を有する場合について図示しているが、磁束減衰器２は、導体１に配設でき、その上に基板３が配設できれば形状に特に制限はない。

磁気検出素子である磁気センサ７は、導体１に通流される被測定電流からの誘導磁界により特性が変化する。本実施の形態においては、磁気センサ７がホール素子を含む場合について説明する。ホール素子においては、被測定電流からの誘導磁界の印加により特性（電圧）が変化する。ホール素子はその構成材料に磁性体を用いないため、本質的にヒステリシスが無く、高精度計測にはより好適な磁気センサである。

フィードバックコイル８は、磁気センサ７の近傍に配置され、導体１に流れる被測定電流による誘導磁界を相殺する磁界（キャンセル磁界）を発生する。フィードバックコイル８はスパイラル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、磁気平衡式電流センサを小型、軽量で構成することができる。

本実施の形態においては、一つの基板上に磁気センサ７及びフィードバックコイル８を実装し、別の基板上に磁束減衰器２を配設し、その後、２つの基板を重ねる、すなわち磁束減衰器２上に、磁気センサ７及びフィードバックコイル８を実装した基板を重ねることが製造上好ましい。なお、磁気センサ４の出力にヒステリシスが生じることを防止する効果を発現し易くするために、基板材料として非磁性材料を用いることが望ましい。

被測定電流により生じた誘導磁界に応じた電圧差としての出力がフィードバックコイル８に電流（フィードバック電流）として与えられる。すなわち、このフィードバック電流は、誘導磁界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８には、誘導磁界を相殺するキャンセル磁界が発生する。そして、誘導磁界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８に流れる電流に基づいて被測定電流を測定する。このような制御は、基板３上の磁気センサ７、フィードバックコイル８及びＩＣ６により行われる。

上記構成の磁気平衡式電流センサにおいては、導体１と基板３との間に、すなわち、導体１と磁気センサ７及びフィードバックコイル８との間に、磁束減衰器２が配設されている。これにより、被測定電流から磁気センサ７に印加される誘導磁界を小さくすることができる。したがって、フィードバックコイル８からのキャンセル磁界を小さくすることができ、大電流測定時にも消費電力を抑えることができる。また、上記構成の磁気平衡式電流センサにおいては、磁束減衰器２に磁性流体が含まれている。磁性流体は、磁界が零の時は磁性の無い単なる液体であり、磁界を作用させることで磁化し、磁界を取り除くと磁化は再び消滅する、超常磁性を示す。このため、磁性流体は残留磁化及びヒステリシスを示さない。したがって、上記構成の磁気平衡式電流センサは、ヒステリシスのない高精度の出力（電流値）を示すことができる。

本発明は上記実施の形態１,２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１，２における材料、各素子の接続関係、厚さ、大きさ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。

本発明は、電気自動車のモータ駆動用の電流の大きさを検出する磁気平衡式電流センサに適用することが可能である。

１ 導体
２ 磁束減衰器
３ 基板
４，７ 磁気センサ
５，８ フィードバックコイル
６ ＩＣ

Claims (4)

1. 導体に通流される被測定電流からの誘導磁界により特性が変化する磁気検出素子と、前記磁気検出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と、前記導体と前記磁気検出素子及び前記フィードバックコイルとの間に配置されており、前記誘導磁界を減衰させる磁束減衰手段と、を具備し、前記磁束減衰手段は、中空容器内に磁性流体を封入してなることを特徴とする磁気平衡式電流センサ。
2. 前記中空容器は、非磁性材料で構成されていることを特徴とする請求項１記載の磁気平衡式電流センサ。
3. 前記非磁性材料が樹脂材料であることを特徴とする請求項２記載の磁気平衡式電流センサ。
4. 前記磁気検出素子が、磁気抵抗効果素子又はホール素子であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の磁気平衡式電流センサ。

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