JP2011185772A - 電流センサ - Google Patents

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Abstract

【課題】電流測定レンジが広く、ノイズを低減して高精度に電流測定を行うことができる電流センサを提供すること。
【解決手段】本発明の電流センサは、電流量が異なるように分離された少なくとも2つの通電領域を有する導体上に配置された磁気センサ121,122と、前記磁気センサ121,122の出力を制御する制御手段123と、を具備する電流センサであって、前記磁気センサ121,122は、電流量が異なる少なくとも2つの領域にそれぞれ配置されており、前記制御手段123は、前記磁気センサ121,122の出力を切り替えることを特徴とする。
【選択図】図1

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。
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電磁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。
広い測定レンジを持つ電流センサとしては、例えば、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、電流により発生する磁界の強さの異なる場所で電流値を計測することができる電流センサがある(特許文献1)。また、電流を分流する部分を導体に設け、導体により発生する磁界を小さくして測定レンジを広くした電流センサがある(特許文献2)。
特開2004−132790号公報 特開平10−73619号公報
しかしながら、特許文献1記載の電流センサでは、広範囲な測定レンジにするために、導体から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。また、磁気センサを導体から離しすぎると、磁気センサ間で発生するノイズが異なってくるため、その対策が困難である。また、特許文献2記載の電流センサでは、電流を分流させることにより測定レンジを広げているので、微小電流での精度が低下するという問題がある。
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、電流測定レンジが広く、ノイズを低減して高精度に電流測定を行うことができる電流センサを提供することを目的とする。
本発明の電流センサは、電流量が異なるように分離された少なくとも2つの通電領域を有する導体上に配置され、前記導体に流れる電流に応じて発生する磁界を検出する磁気センサと、前記磁気センサの出力を制御する制御手段と、を具備する電流センサであって、前記磁気センサは、電流量が異なる少なくとも2つの領域にそれぞれ配置されており、前記制御手段は、前記磁気センサの出力を切り替えることを特徴とする。
この構成によれば、磁気センサが電流量の異なるように分離された少なくとも2つの通電領域を有する導体上に配置されており、分離した通電領域を測定レンジとすることにより、通電領域に応じて異なるレンジの電流量を測定することができるので、電流測定レンジを広くとることができる。また、この構成においては、磁気センサを導体から離しすぎることもないため、小型化したセンサにより電流測定を行うことができる。
本発明の電流センサにおいては、前記磁気センサは、前記導体において、分離された領域にそれぞれ配置されていることが好ましい。
本発明の電流センサにおいては、前記磁気センサは、前記導体において、分離された領域と分離されていない領域にそれぞれ配置されていることが好ましい。
これらの構成によれば、感度(精度)を落とすことなく、被測定電流を広げることができる。
本発明の電流センサにおいては、前記導体は、電流量が異なるように分離された3つの通電領域を有し、前記3つの通電領域において発生する磁界の大きさの比が50:5:1であることが好ましい。このような構成によれば、異なる定常電流が使用される電流領域に合わせて電流測定が可能である。
本発明の電流センサにおいては、前記少なくとも2つの通電領域において、前記導体の中心に対して対称な前記導体の外側の位置に、感度軸方向が互いに180°異なる一対の磁気センサが配置されており、前記制御手段は、前記一対の磁気センサの出力から外乱磁界を除去することが好ましい。
この構成によれば、磁気センサに加わる外乱ノイズをキャンセルした測定が可能となるため、高精度な電流測定を行うことができる。
本発明のバッテリーは、電流線を備えたバッテリー本体と、前記電流線に取り付けられ、上記電流センサと、を具備することを特徴とする。
本発明の電流センサは、電流量が異なるように分離された少なくとも2つの通電領域を有する導体上に配置され、前記導体に流れる電流に応じて発生する磁界を検出する磁気センサと、前記磁気センサの出力を制御する制御手段と、を具備する電流センサであって、前記磁気センサは、電流量が異なる少なくとも2つの領域にそれぞれ配置されており、前記制御手段は、前記磁気センサの出力を切り替えるので、電流測定レンジが広く、ノイズを低減して高精度に電流測定を行うことができる。
本発明の実施の形態1に係る電流センサを示す図であり、(a)は内部透視平面図であり、(b)は内部透視側面図である。 本発明の実施の形態1に係る電流センサにおける磁気センサの配置位置を説明するための図である。 本発明の実施の形態1に係る電流センサにおける磁気センサの配置位置を説明するための図である。 本発明の実施の形態1に係る電流センサにおける磁気センサの配置位置を説明するための図であり、(a)は平面図であり、(b)は側面図である。 本発明の実施の形態1に係る電流センサにおける切り替え制御を説明するための図である。 本発明の実施の形態1に係る電流センサの信号処理回路において、磁気センサの出力を切り替える場合の手順を示すフロー図である。 被測定電流とセンサ出力との間の関係を示す図である。 本発明の実施の形態2に係る電流センサにおける磁気センサの配置位置を説明するための図であり、(a)は平面図であり、(b)は側面図である。 本発明の実施の形態2に係る電流センサの効果を説明するための図である。 本発明の実施の形態2に係る電流センサの効果を説明するための図である。 本発明に係る電流センサの他の例について説明するための図である。 本発明の実施の形態に係る電流センサをバッテリーに適用する使用形態の一例を示す図である。 本発明の実施の形態に係る電流センサをバッテリーに適用する場合のバッテリーの使用範囲を説明する図である
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に係る電流センサを示す図であり、図1(a)は内部透視平面図であり、図1(b)は内部透視側面図である。
図1(a)に示すように、電流が通電される電流線である導体11の近傍に電流センサ12が配設されている。導体11は、図1(a)に示すように、電流量が異なるように分離された少なくとも2つの通電領域を有する。ここでは、導体11は、図2に示すように、スリット11cが設けられており、導体の幅(通電方向に対して直交する方向の長さ)Dが広い領域11aと導体の幅Dが狭い領域11bとを含む。電流センサ12は、導体11の領域11a上に第1の磁気センサ121が位置し、導体11の領域11b上に第2の磁気センサ122が位置するようにして配置されている。この電流センサ12は、領域11a上に配置された第1の磁気センサ121と、領域11b上に配置された第2の磁気センサ122と、第1の磁気センサ121及び第2の磁気センサ122と電気的に接続されており、第1の磁気センサ121及び第2の磁気センサ122の出力を制御する制御手段である信号処理用素子123とを含む。第1の磁気センサ121及び第2の磁気センサ122は、それぞれ導体11に流れる電流に応じて発生する磁界を検出する。
電流センサ12は、図1(b)に示すように、基板124の一方の主面上に第1の磁気センサ121及び第2の磁気センサ122が実装されており、基板124の他方の主面上に信号処理用素子123が形成されている。なお、基板124に対する磁気センサ121,122及び信号処理用素子123の実装形態については図1(b)に制限されない。電流センサ12は、第1の磁気センサ121が導体11の領域11a上に位置し、第2の磁気センサ122が導体11の領域11b上に位置するように、導体11上に配置される。また、電流センサ及び導体11は、筺体13により一体化されている。筺体13については、樹脂成型により構成しても良く、一対のハウジングを導体11上に囲繞させて構成しても良い。
図2に示すような磁気センサの配置位置では、磁気センサ121,122が、導体において、分離された領域にそれぞれ配置されている。この場合においては、第1の磁気センサ121は、導体11において分離された領域の広い幅Dの領域11aに通流する電流量を測定し、第2の磁気センサ122は、導体11において分離された領域の狭い幅Dの領域11bに通流する電流量を測定する。
本発明においては、図3に示すように、磁気センサ121,122が、導体において、分離された領域と分離されていない領域にそれぞれ配置されていても良い。この場合においては、第1の磁気センサ121は、導体11において分離されていない領域の広い幅D(導体11の全幅)の領域11aに通流する電流量を測定し、第2の磁気センサ122は、導体11において分離された領域の狭い幅Dの領域11bに通流する電流量を測定する。
図2及び図3に示す構成によれば、感度(精度)を落とすことなく、被測定電流の測定範囲を広げることができる。
また、本発明においては、図4(a)に示すように、導体11が3つ以上(図4では3つ)に分離されており、磁気センサが分離された領域にそれぞれ配置されていても良い。すなわち、図4(a)に示す電流センサおいては、第1の磁気センサ121が、導体11において分離された領域の最も広い幅Dの領域11aに配置され、領域11aを通流する電流量を測定し、第2の磁気センサ122が、導体11において分離された領域の次に広い幅Dの領域11bに配置され、領域11bを通流する電流量を測定し、第3の磁気センサ125が、導体11において分離された領域の最も狭い幅Dの領域11dに配置され、領域11dを通流する電流量を測定する。
例えば、図4に示すように、導体11が、電流量が異なるように分離された3つの通電領域11a,11b,11dを有している。それぞれの通電領域の幅D,D,Dは、異なる定常電流が使用される電流領域に合わせて、磁気センサに加わる磁界に応じて適宜設定される。例えば、磁気センサ121,122,125に加わる磁界の割合を、例えば50:5:1となるように、通電領域11a,11b,11dの幅D,D,Dを設定する。この領域11a,11b,11d上にそれぞれ磁気センサ121,122,125が配置される。
磁界の割合が50で加わる領域11aでは、例えば20Aまでの電流を検出し、磁界の割合が5で加わる領域11bでは、20Aから200Aまでの電流を検出し、磁界の割合が1で加わる領域11dでは、200Aから1000Aまでの電流を検出する。これにより、例えば、本発明の電流センサをバッテリーに用いた場合、バッテリーをほとんど利用していない領域11a、定常的に利用されている領域11b、負荷が一瞬最大となった領域11dの電流を、いずれの領域でも精度を落とさず検出することができるため、バッテリーの残量管理の精度が向上することになる。
磁気センサ121,122,125としては、磁気抵抗効果素子(GMR素子(巨大磁気抵抗効果素子)、TMR素子(トンネル型磁気抵抗効果素子)、AMR素子(異方性磁気抵抗素子)、ホール素子などを用いることができる。また、磁気センサ121,122,125は、図4(b)に示すように、感度軸方向が同じになるようにして設けられる。これは、図2や図3に示す構成においても同じである。
図5は、本発明の実施の形態1に係る電流センサのブロック図である。図5に示す信号処理回路(信号処理用素子)123は、電流容量が異なる少なくとも2つの領域にそれぞれ配置された磁気センサの出力を切り替える。
図2及び図3に示す構成において、第1の磁気センサ121の出力及び第2の磁気センサ122の出力は、信号処理回路123に送られ、信号処理回路123において、第1の磁気センサ121の出力及び第2の磁気センサ122の出力を切り替えて、電流に対応した信号を出力する。図2及び図3に示す場合においては、被測定電流が小さいときには、第1の磁気センサ121の出力により電流に相当する信号を出力し、被測定電流が大きくなると第2の磁気センサ122の出力を用いて最終信号を出力する。
図4に示す構成において、第1の磁気センサ121の出力、第2の磁気センサ122及び第3の磁気センサ125の出力は、信号処理回路123に送られ、信号処理回路123において、第1の磁気センサ121の出力、第2の磁気センサ122及び第3の磁気センサ125の出力を切り替えて、電流に対応した信号を出力する。図4に示す場合においては、被測定電流が小さいときには、第1の磁気センサ121の出力により電流に相当する信号を出力し被測定電流が大きくなると第2の磁気センサ122の出力、第3の磁気センサ125の出力を用いて最終信号を出力する。
図6は、信号処理回路123において、磁気センサの出力を切り替える場合の手順を示すフロー図である。ここでは、図4に示す構成、すなわち、導体11の幅が異なる3つの領域を持つように分離され、それぞれの領域上に磁気センサ121,122,125が配置されている構成の制御手順について説明する。
信号処理回路123においては、第1の磁気センサ121の出力から第2の磁気センサ122の出力に切り替えるための閾値1と、第2の磁気センサ122の出力から第3の磁気センサ125の出力に切り替えるための閾値2とが予め設定されている。信号処理回路123には、被測定電流が導体11に通電された際に検出される電流出力が、第1の磁気センサ121、第2の磁気センサ122及び第3の磁気センサ125から送られる。そして、信号処理回路123において、電流出力に対して閾値判定を行って、いずれかの磁気センサの出力を最終出力にするように切り替える。
まず、被測定電流が小さい場合において、第1の磁気センサ121の出力を最終信号(電流出力)とする(ST11)。次いで、被測定電流が大きくなると、それに応じて第1の磁気センサ121のセンサ出力が大きくなる。この第1の磁気センサ121のセンサ出力に対して閾値判定を行い(ST12)、閾値1内である場合には、第1の磁気センサ121のセンサ出力を最終信号(電流出力)とし(ST13)、閾値1外である場合には、第1の磁気センサ121で測定する電流範囲よりも高い電流範囲で測定する第2の磁気センサ122のセンサ出力を最終信号(電流出力)とする(ST14)。
次いで、被測定電流がさらに大きくなると、それに応じて第2の磁気センサ122のセンサ出力が大きくなる。この第2の磁気センサ122のセンサ出力に対して閾値判定を行い(ST15)、閾値1より大きく、かつ閾値2よりも小さい場合には、第2の磁気センサ122のセンサ出力を最終信号(電流出力)とし(ST16)、閾値2よりも大きい場合には、第2の磁気センサ122で測定する電流範囲よりも高い電流範囲で測定する第3の磁気センサ125のセンサ出力を最終信号(電流出力)とする(ST17,ST18)。
次に、本発明の効果を明確にするために行った実施例について説明する。
図2に示すように導体11が分離されて2つの通電領域11a,11bにそれぞれ第1の磁気センサ121及び第2の磁気センサ122を配置してなる電流センサを作製し、被測定電流を0A〜500Aまで変化させたときのセンサ出力を調べた。その結果を図7に示す。また、比較のために、分離されていない導体に磁気センサを配置してなる電流センサを作製し、同様に被測定電流を0A〜500Aまで変化させたときのセンサ出力を調べた。その結果を図7に併記する。図7から分かるように、本発明の電流センサによれば、より小さい被測定電流の範囲において、センサ感度が高く、より高精度に電流測定を行うことができた。
(実施の形態2)
図8は、本発明の実施の形態2に係る電流センサにおける磁気センサの配置位置を説明するための図であり、(a)は平面図であり、(b)は側面図である。なお、図8において、図2と同じ部分については図2と同じ符号を付して、その詳細な説明は省略する。
図8に示す電流センサにおいては、導体11の中心に対して対称である導体11の外側の位置に、第1の磁気センサ121及び第2の磁気センサ122がそれぞれ配置されている。このように、第1の磁気センサ121及び第2の磁気センサ122は、導体11の分離された領域11a,11bにそれぞれ配置されている。また、第1の磁気センサ121及び第2の磁気センサ122は、図8(b)に示すように、その感度軸方向が互いに180°異なるように配設されている。
ここでは、第1の磁気センサ121で感じる磁界の強さと第2の磁気センサ122で感じる磁界の強さの比が、例えば1(D):2(D)になるように、導体11が分離されている。ここで、図8(b)に示すように、第1の磁気センサ121で感じる磁界を2aとし、第2の磁気センサ122で感じる磁界をaとし、外部磁界をXとする。図9から分かるように、第1の磁気センサ121は、電流による磁界及び外部磁界Xを検出し、第2の磁気センサ122は、電流による磁界と外部磁界Xとの差分を検出することになる。上記のように、磁界の強さの比をA:B=1:2としているので、信号処理回路123で、以下の演算を行うことにより、外部磁界Xを求めることができる。そして、信号処理回路123において、第1の磁気センサ121及び第2の磁気センサ122の出力から外部磁界Xを除去する演算を行うことにより、磁気センサの出力から外乱磁界(ノイズ)を除去し、磁気センサの出力から磁界(ノイズ)の影響を排除することができる。その結果、より高精度で電流測定を行うことができる。
2A−B=2(a+X)−(2a−X)=3X
∴X=(2A−B)/3
次に、本発明の効果を明確にするために行った実施例について説明する。
図8(a)に示すように、導体11が分離されて2つの通電領域11a,11bにそれぞれ第1の磁気センサ121及び第2の磁気センサ122を配置してなる電流センサを作製し、センサ出力の時間変化を調べた。その結果を図10に示す。また、比較のために、分離されていない導体に磁気センサを配置してなる電流センサを作製し、同様にセンサ出力の時間変化を調べた。その結果を図10に併記する。図10から分かるように、外乱磁界(ノイズ)が変化した場合においても、図8に示す構成にすれば、ノイズキャンセル効果が認められた。このように、図8に示す電流センサにおいては、磁気センサに加わる外乱ノイズをキャンセルした測定が可能となるため、高精度な電流測定を行うことができる。
また、本発明に係る電流センサにおいては、上述したように、被測定電流が導体11に通電された際に検出されるすべての磁気センサの電流出力が信号処理回路123に送られる。このため、検出電流範囲の異なる磁気センサの出力を用いて異常動作判定を行うことができる。図11に示すように、低電流用の磁気センサ(図2において領域11aに配置された第1の磁気センサ121)の出力は、高電流用の磁気センサ(図2において領域11bに配置された第2の磁気センサ122)の出力よりも高感度である(低電流用の磁気センサの被測定電流に対するセンサ出力の傾きが大きい)。このように、磁気センサの被測定電流に対するセンサ出力の傾きが異なるので、両磁気センサの出力の差分をとり、出力差特性を求めることにより、異常動作判定を行うことができる。すなわち、図11に示すように、正常時の出力差特性(実線)を求めておくことにより、正常時の出力差特性曲線から大きく外れる出力差が得られたときに、異常動作と判断する。
また、図2〜図4に示すような構成を有する電流センサにおいて、検出電流が小さく、個々の磁気センサの出力が小さい場合には、信号処理回路123において、各センサ出力を足し算し、検出電流を求めることができる。このような制御を行うことにより、測定電流範囲を広くすることができ、さらに低電流領域での感度を高めることができる。
このように、本発明に係る電流センサにおいては、磁気センサが電流量の異なるように分離された少なくとも2つの通電領域を有する導体上に配置されており、分離した通電領域を測定レンジとするので、通電領域に応じて異なるレンジの電流量を測定することができ、電流測定レンジを広くとることができる。また、この構成においては、磁気センサを導体から離しすぎることもないため、小型化して電流測定を行うことができる。
(電流センサの使用形態)
本発明に係る電流センサは、例えば、電気自動車やソーラー電池などのバッテリーの電流検出用の電流センサに適用することができる。このようなバッテリーは、電流線を備えたバッテリー本体と、この電流線に取り付けられ、上記電流センサと、を具備する構成をとる。
ここで、上述した電流センサをバッテリーの充放電制御に使用してバッテリーのマネジメントを行う場合(バッテリーマネジメントシステム)について説明する。
本実施の形態で示した電流センサは、バッテリーのマイナス極又はプラス極に設けることにより、バッテリーの管理を行うことができる。具体的には、図12に示すように、Liイオン電池、NiMH電池、鉛蓄電池などの充放電を行うバッテリーの端子に電流センサを設ける。電流センサのほか、電圧および温度を検出するためのセンサを設けることにより、より高精度のバッテリーマネジメントシステムとなる。電流センサによる電流値および電圧の測定値より、バッテリー使用および充電による電力量を算出する。また、温度変化によるバッテリーの状態変化や電力量の補正を行うことも可能である。当該電流センサを用いてバッテリーの充放電の電流を計測し、積算することによりバッテリーの残量管理を行うことができる。
バッテリーの使用時の場合と未使用時の場合とで流れる電流値は大きく異なるが、本実施の形態で示した電流センサを用いることにより、一つの電流センサで使用時と未使用時の電流量を高い精度で検出することができる。バッテリーの電流値を高精度で測定することにより、積算誤差が低下することが可能となるため、過充電、過放電のためにバッテリーに設けるマージンを小さくすることができる(図13参照)。その結果、バッテリーを効率的に使用することが可能となり、例えば、電気自動車等のバッテリーに本実施の形態で示す電流センサを適用することにより、走行距離を延ばすことができる。
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いては、導体にスリットを設けて分離して複数の通電領域を設けた場合について説明しているが、本発明はこれに限定されず、通電領域の大きさを変えて、通電領域に応じて異なるレンジの電流量を測定する構成をすべて含むものとする。また、上記実施の形態における部品配置位置、材料、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。
本発明は、電気自動車やソーラー電池などの電流検出用の電流センサに適用することが可能である。
11 導体
11a,11b,11d 通電領域
11c スリット
12 電流センサ
13 筺体
121,122,125 電流センサ
123 信号処理回路(信号処理用素子)
124 基板

Claims (6)

  1. 電流量が異なるように分離された少なくとも2つの通電領域を有する導体上に配置され、前記導体に流れる電流に応じて発生する磁界を検出する磁気センサと、前記磁気センサの出力を制御する制御手段と、を具備する電流センサであって、前記磁気センサは、電流量が異なる少なくとも2つの領域にそれぞれ配置されており、前記制御手段は、前記磁気センサの出力を切り替えることを特徴とする電流センサ。
  2. 前記磁気センサは、前記導体において、分離された領域にそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項1記載の電流センサ。
  3. 前記磁気センサは、前記導体において、分離された領域と分離されていない領域にそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項1記載の電流センサ。
  4. 前記導体は、電流容量が異なるように分離された3つの通電領域を有し、前記3つの通電領域において発生する磁界の大きさの比が50:5:1であることを特徴とする請求項1記載の電流センサ。
  5. 前記少なくとも2つの通電領域において、前記導体の中心に対して対称な前記導体の外側の位置に、感度軸方向が互いに180°異なる一対の磁気センサが配置されており、前記制御手段は、前記一対の磁気センサの出力から外乱磁界を除去することを特徴とする請求項1又は請求項2記載の電流センサ。
  6. 電流線を備えたバッテリー本体と、前記電流線に取り付けられ、請求項1から請求項5のいずれかに記載の電流センサと、を具備することを特徴とするバッテリー。
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