JP2012251993A

JP2012251993A - 電流センサ

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Publication number: JP2012251993A
Application number: JP2012086431A
Authority: JP
Inventors: Hirofumi Fukui; 洋文福井
Original assignee: Alps Green Devices Co Ltd
Current assignee: Alps Green Devices Co Ltd
Priority date: 2011-05-09
Filing date: 2012-04-05
Publication date: 2012-12-20
Anticipated expiration: 2032-04-05
Also published as: CN102841232A; JP5834292B2; US20120290240A1; CN102841232B

Abstract

【課題】電線の位置ずれによる影響を少なくしつつ、外部磁場の影響も少なくできる電流センサを提供すること。
【解決手段】電流センサは、電線に流れる測定電流を測定するために電線の周囲に複数の磁気センサ素子を配置し、複数の磁気センサ素子は、電線の軸方向に垂直な平面上において、電線と前記平面との交点を始点として放射された複数の直線上において、電線からの距離が異なる２つの磁気センサ素子が配設され磁気センサ対をなすとともに、各磁気センサ対において２つの磁気センサ素子の出力値を所定の結合係数を用いて線形結合をし、複数組の線形結合した値を加算して測定電流を算出することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、電線に流れる電流値を検出するための電流センサに関する。

従来から電線を流れる電流値を検出する電流センサとして、電線から一定の距離を離して磁気センサ素子を配置し、その位置における磁場の強さを感知することで電線に流れる電流値を検出する電流センサが用いられている。

しかし、磁場の強さを感知する方法では電線の位置がずれて電線と電流センサとの距離が変動した場合、測定誤差が生じるという問題があった。

そこで、電線の位置ずれによる測定誤差を小さくするために、特許文献１に開示されるように、電線を挟んで一対の磁気センサ素子を電線から等距離に対向して配置したものが知られている。このように電線を挟んで一対の磁気センサ素子を対向配置しておけば、外部一定磁場の影響がある場合、または被測定電線の位置が多少ずれて各磁気センサ素子との距離が変わった場合でも、２つの磁気センサ素子による値の差分又は加算することで測定誤差を少なくすることができる。

特開２００１−１５３８９５号公報

しかし、上記構成では、電線の位置ずれに対する影響は少なくすることができるものの、測定する電線とは異なる別の電線が近くにあるとその隣接した電線に流れる電流による磁場の影響を受けて正確に測定することができないという問題が発生する。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、電線の位置ずれによる影響を少なくしつつ、外部磁場の影響も少なくできる電流センサを提供するところにある。

上記目的を達成するために本発明の電流センサは、電線に流れる測定電流を測定するために前記電線の周囲に複数の磁気センサ素子を配置した電流センサにおいて、前記複数の磁気センサ素子は、前記電線の軸方向に垂直な平面上において、前記電線と前記平面との交点を始点として放射された複数の直線上において、前記電線からの距離が異なる２つの磁気センサ素子が配設され磁気センサ対をなすとともに、前記各磁気センサ対において２つの磁気センサ素子の出力値を所定の結合係数を用いて線形結合をし、複数組の前記線形結合した値を加算して前記測定電流を算出することを特徴とする。

これにより、本発明は、磁気センサ素子を対向して磁気センサ対とし、その対となった磁気センサ素子の出力値を所定の結合係数を用いて線形結合するようにしたので外部磁場の影響を少なくでき、さらに、それぞれの磁気センサ対の線形結合した値を加算することで測定電流を算出するようにしたので電線の位置ずれによる影響も少なくすることができる。

また、本発明は、複数組の前記磁気センサ対の内、前記電線からの距離が近い方の各磁気センサは、前記電線からの距離が等しく、複数組の前記磁気センサ対の内、前記電線からの距離が遠い方の各磁気センサは、前記電線からの距離が等しく、前記所定の結合係数を数式１０とし、前記各磁気センサ対において各磁気センサ素子の出力値を数式２に従い、線形結合した上で全磁気センサ対加算することを特徴とする。

ここで、ｊは前記各磁気センサ対の符号付け、Ｓ_ｊは前記各磁気センサ対ｊの線形結合出力、前記結合係数をＡ、被測定電線の電流により生ずる規格化磁場をｂ_０、隣接電線の電流により生ずる規格化外部磁場をｂ_ｎｎ、位置に依存しない一定外部磁場をｂ_ｃ、ｅ_ｓｊを前記各磁気センサ対ｊの磁気感度単位ベクトル、ｅ_ｊ１、ｅ_ｊ２をそれぞれ前記各磁気センサ対ｊの前記電線に近い方のセンサ（以降内側磁気センサ素子）位置、前記電線から遠い方のセンサ（以降外側磁気センサ素子）位置における隣接電線磁場の単位ベクトルとした。また被測定電線軸方向に垂直な断面における前記各磁気センサ対ｊの内側磁気センサ素子位置ベクトルおよび外側磁気センサ素子の位置ベクトルをそれぞれ、Ｙ_ｊ１（絶対値はＹ_１）、Ｙ_ｊ２（絶対値はＹ_２）、隣接電線位置ベクトルをＲ（絶対値はＲ）とした。また被測定電線の位置ずれベクトルをΔＸ（絶対値はΔＸ）とした。

これにより、本発明は、各磁気センサ素子に対する外部磁場の影響が同程度の場合でも外部磁場の影響を少なくでき、かつ、電線の位置ずれによる影響も少なくでき、測定精度を高めることができる。

また、本発明は、前記各磁気センサ対において隣接する電線などの影響のため、各磁気センサ素子に対する外部磁場の影響が異なる場合、前記所定の結合係数は数式９とし、前記各磁気センサ対において各磁気センサ素子の出力値を数式２に従い、線形結合および全磁気センサ対加算することを特徴とする。

ここで、ｊは前記各磁気センサ対の符号付け、Ｓ_ｊは前記各磁気センサ対ｊの線形結合出力、前記結合係数をＡ、被測定電線の電流により生ずる規格化磁場をｂ_０、隣接電線の電流により生ずる規格化外部磁場をｂ_ｎｎ、位置に依存しない一定外部磁場をｂ_ｃ、ｅ_ｓｊを前記各磁気センサ対ｊの磁気感度単位ベクトル、ｅ_ｊ１、ｅ_ｊ２をそれぞれ前記各磁気センサ対ｊの前記電線に近い方のセンサ（以降内側磁気センサ素子）、前記電線から遠い方のセンサ（以降外側磁気センサ素子）位置における隣接電線磁場の単位ベクトルとした。また被測定電線軸方向に垂直な断面における前記各磁気センサ対ｊの内側磁気センサ素子の位置ベクトルおよび外側磁気センサ素子の位置ベクトルをそれぞれ、Ｙ_ｊ１（絶対値はＹ_１）、Ｙ_ｊ２（絶対値はＹ_２）、隣接電線位置ベクトルをＲ（絶対値はＲ）とした。また被測定電線の位置ずれベクトルをΔＸ（絶対値はΔＸ）とした。

これにより、本発明は、各磁気センサ素子に対する外部磁場の影響が異なる場合でも外部磁場の影響を少なくでき、かつ、電線の位置ずれによる影響も少なくでき、測定精度を高めることができる。

また、本発明は、前記複数の磁気センサ素子を保持するための担持体が設けられており、その担持体には前記電線を保持するための保持部と前記保持部へ前記電線を導くための導入部が形成されていることに特徴を有する。

これにより、本発明は、クランプ式電流センサのように電線導入のためにセンサ装置を分割することがないため長期信頼性に優れた電流センサを提供することができる。

また、本発明は、前記電線を中心にした異なる半径を有する２つの円周上に各々前記各内側磁気センサおよび前記各外側磁気センサが複数組配置されていることを特徴とする。

これにより、本発明は、電線の位置ずれ及び外部磁場の影響を少なくして測定精度の高い電流センサを提供することができる。

また、本発明は、前記各磁気センサ対は等間隔で配置されていることに特徴を有する。

また、本発明は、前記各磁気センサ対が９０°の等間隔で４組配置されていることに特徴を有する。

本発明によれば、磁気センサ素子を対向して磁気センサ対とし、その対となった磁気センサ素子の出力値を所定の結合係数を用いて線形結合することで外部磁場の影響を少なくでき、さらに、それぞれの磁気センサ対の線形結合した値を加算することで測定電流を算出するようにしたので電線の位置ずれによる影響も少なくすることができる。

本実施形態（第１実施形態）の被測定電線、磁気センサ素子の配置図である。同実施形態（第１実施形態）の線形結合係数の決定方法を説明するための被測定電線、磁気センサと隣接電線の配置図である。同実施形態（第１実施形態）の４素子対における電流測定誤差の隣接電線位置（角度）依存性を差動、非差動方式で比較した結果を示す図である。同実施形態（第１実施形態）の素子対数２、３、４、５における電流測定誤差の隣接電線位置（角度）依存性を示す図である。同実施形態（第１実施形態）の４素子対における、隣接電線電流の影響下での電流測定誤差の、被測定電線位置ずれ依存性を示す図である。

以下、本発明の電流センサを具体化した実施形態について図１乃至図５を参照して説明する。

本発明の電流センサは、図１に示すように正方形状の担持体１０を備え、その担持体１０には４辺に対応してそれぞれ内側面部１０Ａと外側面部１０Ｂとが形成されている。また、担持体１０の一つの角部は切り欠かれて電線導入部１０Ｃを形成しており、測定するための被測定電線１１を担持体１０の中央へ導き入れることができるようになっている。電線導入部１０Ｃは担持体１０の中央部まで延出してその延出端部が電線保持部１０Ｄを形成されており、導入された被測定電線１１が担持体１０の中央部に保持される。

各内側面部１０Ａと各外側面部１０Ｂには、担持体１０の中央部へ導き入れられた被測定電線１１の軸線方向とは直交する方向に沿ってそれぞれ内側磁気センサ素子２１と外側磁気センサ素子２２が対向して配設されている。これら対向配置された内側磁気センサ素子２１と外側磁気センサ素子２２によって４対の磁気センサ対２０が被測定電線１１を中心にその周囲に９０度の等間隔で配置される。

各内側磁気センサ素子２１と各外側磁気センサ素子２２は、磁気抵抗効果素子、例えば、ＧＭＲ（ＧｉａｎｔＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔｉｖｅ）素子が用いられ、被測定電線１１に流れる電流による磁界の強さを検出する。また、各内側磁気センサ素子２１と各外側磁気センサ素子２２から出力される信号は図示しない増幅回路を経て信号処理装置に入力される。信号処理装置は、演算処理回路及びメモリ等を備え、各磁気センサ対２０において内側磁気センサ素子２１から出力される信号に基づく出力値と外側磁気センサ素子２２から出力される信号に基づく出力値とを所定の線形結合係数を用いて線形結合するとともに各磁気センサ対２０における線形結合した値を加算することで被測定電線１１に流れる電流値を算出する。

次に、各磁気センサ対２０における線形結合とその線形結合した値から電流値を算出する方法を具体的に説明する。

電流センサによる電流測定に影響を与える外部磁場としては、被測定電線１１に隣接した他の電線（以下、隣接電線１２）による規格化外部磁場ｂ_ｎｎとその他外部機器等（図示せず）による一定外部磁場ｂ_ｃを考える。また、図２に示すように、被測定電線１１の中心Ｃ１と内側磁気センサ素子２１との距離をＹ_１、被測定電線１１の中心Ｃ１と外側磁気センサ素子２２との距離をＹ_２とし、各内側磁気センサ素子２１及び各外側磁気センサ素子２２の感度軸はすべて各内側磁気センサ素子２１及び各外側磁気センサ素子２２の設置点における被測定電線１１を中心とした円の接線と一致し方向は電流の流れる方向（図１中紙面垂直方向）を軸として反時計回り方向に設定されているものとする。

ｊを磁気センサ対の符号とする（図１にはｊ＝１〜４の４磁気センサ対の場合を示す）。磁気センサ対ｊのセンサ出力Ｓ_ｊは、内側、外側磁気センサ素子出力値の結合係数をＡとすると、数式１で表わされる。

ここで、被測定電線１１の電流により生ずる規格化磁場をｂ_０、隣接電線１２の電流により生ずる規格化外部磁場をｂ_ｎｎ、位置に依存しない一定外部磁場をｂ_ｃ、ｅ_ｓｊを磁気センサ対ｊの磁気感度単位ベクトル、ｅ_ｊ１、ｅ_ｊ２をそれぞれ磁気センサ対ｊの内側、外側磁気センサ素子位置における隣接電線磁場の単位ベクトルとした。また被測定電線軸方向に垂直な断面における磁気センサ対ｊ内側および外側磁気センサ素子の位置ベクトルをそれぞれ、Ｙ_ｊ１（絶対値はＹ_１）、Ｙ_ｊ２（絶対値はＹ_２）、隣接電線位置ベクトルをＲ（絶対値はＲ）とした。また被測定電線の位置ずれベクトルをΔＸ（絶対値はΔＸ）とした。

また、各磁気センサ対の出力の総和は数式２で表わされる（Ｎは磁気センサ対の総数で今の例ではＮ＝４）。

被測定電流の測定誤差は、数式２における第２、３項の和と第１項の比で表わされ、数式３となる。

数式２を被測定電線の位置ずれΔＸについて展開すると数式４となる。

ここでθ_ｊ１、θ_ｊ２はそれぞれ磁気センサ対ｊの内側および外側磁気センサ素子位置と隣接電線の中心Ｃ２との成す角度であり、被測定電線を中心にした異なる半径を有する２つの円周上に各々各内側磁気センサおよび各外側磁気センサが等角度間隔で配置されているので、数式５および数式６が成り立つ。ここで、添え字ｋは１または２をとり、θ_０は定数である。

これらの結果を数式２に反映させると数式７が得られる。

数式７より、被測定電線の位置ずれの影響は位置ずれΔＸの２乗以上の高次微小量しか効いてこないことがわかる。すなわち被測定電線の位置ずれの影響は十分にキャンセルされる。

ここで、一定外部磁場の影響について議論する。前述したように、各内側磁気センサ素子２１及び各外側磁気センサ素子２２の感度軸はすべて各内側磁気センサ素子２１及び各外側磁気センサ素子２２の設置点における被測定電線１１を中心とした円の接線と一致し方向は電流の流れる方向（図１中紙面垂直方向）を軸として反時計回り方向に設定されているので、数式８が成り立つ。すなわち、一定外部磁場の影響はキャンセルすることができる。

次に線形結合係数Ａの決定を行う。数式２においてｂ_ｎｎの係数項を０とおくと数式９が得られる。これによって隣接電線の影響はキャンセルされる。すなわち被測定電線の位置ずれと外部磁場（一定外部磁場と隣接電線による外部磁場の両方）の影響ともにキャンセルすることができる。

本実施例においては磁気センサ対数Ｎ＝４、隣接電線と磁気センサ対１および被測定電線が一直線に並んだ配置を選んでおり、この場合数式９から数式１０が得られる。

次に図２、図３を用いて、隣接電線電流の影響に対する本発明の効果を具体的に説明する。磁気センサ対の数は４対、図２において、Ｒ＝８ｍｍ、Ｙ_１＝４ｍｍ、Ｙ_２＝５ｍｍ、被測定電線と隣接電線との距離Ｒを８ｍｍに固定したまま、被測定電線を中心に隣接電線の位置を回転させて電流測定誤差を数式３より求めた。回転角θは被測定電線と、ある磁気センサ対を直線で結んだ方向の延長上に隣接電線が位置する場合を０°としている。前記磁気センサ素子出力の線形結合係数は０°の場合で、前述した方法により最適化しており、数式１０より、Ａ＝−３９／６０となる。この最適化処理を行った場合を差動、最適化処理を行わずＡ＝０として評価した場合を非差動とする。図３は隣接電線の位置をθが０°から４５°まで変化させた場合の差動、非差動、両方式における電流測定誤差の結果を示す。非差動方式では電流測定誤差の最大が５％を超えるが、差動方式では最大誤差は２％以下に抑えられている。

続いて図４を用いて、隣接電線電流の影響による測定誤差が磁気センサ素子対の数でどのように変化するかを説明する。Ｒ＝８ｍｍ、Ｙ_１＝４ｍｍ、Ｙ_２＝５ｍｍとして、磁気センサ対の数を２、３、４、５の各々に対して、隣接電線の位置をθが０°から９０°まで変化させた場合の電流測定誤差を数式３より求めた。前記磁気センサ対出力の線形結合係数は数式９を用いて各々の磁気センサ対数の場合で最適化してある。磁気センサ対の数が４対以上で測定誤差は２％以下に抑えることができた。

次に図５を用いて、隣接電線電流の影響下における、被測定電線の位置ずれによる電流測定誤差を磁気センサ素子対が４対の場合で説明する。隣接電線はθ＝０°方向にあり、Ｒ＝８ｍｍ、Ｙ_１＝４ｍｍ、Ｙ_２＝５ｍｍとした。被測定電線をθ＝０°に沿う直線上で、−１ｍｍから＋１ｍｍまでずらした場合の電流測定誤差を数式３より求めた。この場合もＡ＝−３９／６０として、線形結合係数は最適化してある。被測定電線の位置ずれ−１ｍｍから＋１ｍｍにわたって、電流測定誤差は１％程度以下に抑えることができた。

このような上記構成により本実施形態では以下の効果を奏する。

本実施形態によれば、内側磁気センサ素子２１と外側磁気センサ素子２２を対向して磁気センサ対２０とし、それぞれの磁気センサ対を円周上に等角配置し、その対となった内側磁気センサ素子２１の出力値と外側磁気センサ素子２２の出力値を所定の線形結合係数Ａを用いて線形結合することで位置依存する規格化外部磁場ｂ_ｎｎと一定外部磁場ｂ_ｃの影響を削除することができる。さらに、それぞれの磁気センサ対２０の線形結合した値Ｓ_ｊを加算し、その加算した全体値ΣＳ_ｊから測定電流を算出するようにしたので電線の位置ずれによる影響も少なくすることができる。すなわち、電流路の位置ずれ、外部磁場の変動要因が混在する場合においても、被測定電流の測定誤差を小さくすることができる。

また、磁気センサ対構成をとることによって、電線導入部スペースを容易に確保でき、使用目的に応じた磁気センサ総数の選択自由度が増すという効果を奏する。

また、クランプ式電流センサのように電線導入のためにセンサ装置を分割することがないため長期信頼性に優れた電流センサを提供できるという効果を奏する。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば次のように変形して実施することができ、これらの実施形態も本発明の技術的範囲に属する。

（１）上記実施形態では、内側磁気センサ素子２１と外側磁気センサ素子２２とからなる磁気センサ対２０が被測定電線１１の周りに９０度の等角度間隔で４対配置された構成であったが、９０度の等間隔である必要はなく、数式６が成り立つ配置であればよい。また、２対、３対等、４対以外の構成であっても同様に数式６が成り立つ配置であればよい。

（２）上記実施形態では、線形結合係数Ａ＝−３９／６０に設定し、被測定電線位置ずれ及び隣接電線による規格化外部磁場ｂ_ｎｎによる影響を削除する方法について説明したが、外部磁場の発生源やその位置等に応じて線形結合係数の最適化を図り、内側磁気センサ素子の出力値と外側磁気センサ素子の出力値を線形結合して外部磁場の影響を消去するようにしてもよい。

（３）上記実施形態では、内側磁気センサ素子２１又は外側磁気センサ素子２２は、ＧＭＲ素子であったが、ＭＲ素子やホール素子等、磁気検出できる素子であればよい。

その他、本発明は要旨を逸脱しない範囲で種々変更して実施することができる。

１０担持体
１０Ａ内側面部
１０Ｂ外側面部
１０Ｃ被測定電線導入部
１０Ｄ被測定電線保持部
１１被測定電線
１２隣接電線
２０磁気センサ対
２１内側磁気センサ
２２外側磁気センサ
２３隣接電線位置（角度θ）
Ｙ_１被測定電線と内側磁気センサとの距離
Ｙ_２被測定電線と内側磁気センサとの距離
Ｃ１被測定電線の中心
Ｃ２隣接電線の中心

Claims

電線に流れる測定電流を測定するために前記電線の周囲に複数の磁気センサ素子を配置した電流センサにおいて、前記複数の磁気センサ素子は、前記電線の軸方向に垂直な平面上において、前記電線と前記平面との交点を始点として放射された複数の直線上において、前記電線からの距離が異なる２つの磁気センサ素子が配設され磁気センサ対をなすとともに、前記各磁気センサ対において２つの磁気センサ素子の出力値を所定の結合係数を用いて線形結合をし、複数組の前記線形結合した値を加算して前記測定電流を算出することを特徴とする電流センサ。
複数組の前記磁気センサ対の内、前記電線からの距離が近い方の各磁気センサは、前記電線からの距離が等しく、複数組の前記磁気センサ対の内、前記電線からの距離が遠い方の各磁気センサは、前記電線からの距離が等しく、前記所定の結合係数を数式１０とし、前記各磁気センサ対において各磁気センサ素子の出力値を数式２に従い、線形結合した上で全磁気センサ対加算することを特徴とする請求項１記載の電流センサ。

ここで、ｊは前記各磁気センサ対の符号付け、Ｓ_ｊは前記各磁気センサ対ｊの線形結合出力、前記結合係数をＡ、被測定電線の電流により生ずる規格化磁場をｂ_０、隣接電線の電流により生ずる規格化外部磁場をｂ_ｎｎ、位置に依存しない一定外部磁場をｂ_ｃ、ｅ_ｓｊを前記各磁気センサ対ｊの磁気感度単位ベクトル、ｅ_ｊ１、ｅ_ｊ２をそれぞれ前記各磁気センサ対ｊの前記電線に近い方のセンサ（以降内側磁気センサ素子）位置、前記電線から遠い方のセンサ（以降外側磁気センサ素子）位置における隣接電線磁場の単位ベクトルとした。また被測定電線軸方向に垂直な断面における前記各磁気センサ対ｊの内側磁気センサ素子位置ベクトルおよび外側磁気センサ素子の位置ベクトルをそれぞれ、Ｙ_ｊ１（絶対値はＹ_１）、Ｙ_ｊ２（絶対値はＹ_２）、隣接電線位置ベクトルをＲ（絶対値はＲ）とした。また被測定電線の位置ずれベクトルをΔＸ（絶対値はΔＸ）とした。
前記各磁気センサ対において隣接する電線などの影響のため、各磁気センサ素子に対する外部磁場の影響が異なる場合、前記所定の結合係数は数式９とし、前記各磁気センサ対において各磁気センサ素子の出力値を数式２に従い、線形結合および全磁気センサ対加算することを特徴とする請求項１記載の電流センサ。

ここで、ｊは前記各磁気センサ対の符号付け、Ｓ_ｊは前記各磁気センサ対ｊの線形結合出力、前記結合係数をＡ、被測定電線の電流により生ずる規格化磁場をｂ_０、隣接電線の電流により生ずる規格化外部磁場をｂ_ｎｎ、位置に依存しない一定外部磁場をｂ_ｃ、ｅ_ｓｊを前記各磁気センサ対ｊの磁気感度単位ベクトル、ｅ_ｊ１、ｅ_ｊ２をそれぞれ前記各磁気センサ対ｊの前記電線に近い方のセンサ（以降内側磁気センサ素子）、前記電線から遠い方のセンサ（以降外側磁気センサ素子）位置における隣接電線磁場の単位ベクトルとした。また被測定電線軸方向に垂直な断面における前記各磁気センサ対ｊの内側磁気センサ素子の位置ベクトルおよび外側磁気センサ素子の位置ベクトルをそれぞれ、Ｙ_ｊ１（絶対値はＹ_１）、Ｙ_ｊ２（絶対値はＹ_２）、隣接電線位置ベクトルをＲ（絶対値はＲ）とした。また被測定電線の位置ずれベクトルをΔＸ（絶対値はΔＸ）とした。
前記複数の磁気センサ素子を保持するための担持体が設けられており、その担持体には前記電線を保持するための保持部と前記保持部へ前記電線を導くための導入部が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の電流センサ。
前記電線を中心にした異なる半径を有する２つの円周上に各々前記各内側磁気センサおよび前記各外側磁気センサが複数組配置されていることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の電流センサ。
前記各磁気センサ対は等間隔で配置されていることを特徴とする請求項５記載の電流センサ。
前記各磁気センサ対が９０°の等間隔で４組配置されていることを特徴とする請求項６記載の電流センサ。