JP6413326B2

JP6413326B2 - 磁気センサ及び電流検出構造

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Publication number: JP6413326B2
Application number: JP2014094629A
Authority: JP
Inventors: 二口　尚樹; 尚樹二口; 池田　幸雄; 幸雄池田; 和久 ▲高▼橋
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2014-05-01
Filing date: 2014-05-01
Publication date: 2018-10-31
Anticipated expiration: 2034-05-01
Also published as: US9625496B2; CN105044423A; CN105044423B; US20150316637A1; JP2015212634A

Description

本発明は、磁気センサに関するものである。

磁気センサを用いた電流検出構造が広く知られている。

磁気センサでは、磁束密度に応じた電圧を出力するように構成されているため、検出対象の電流を流す電流路の近傍に磁気センサを配置することで、この磁気センサの出力電圧から、検出対象となる電流により発生する磁束密度（磁気センサを配置した位置での磁束密度）を演算により求め、その求めた磁束密度から検出対象となる電流の電流値を演算することができる。

磁気センサに用いる磁気検出素子としては、ホール素子、異方性磁気抵抗素子（以下、ＡＭＲ素子という）、巨大磁気抵抗素子（以下、ＧＭＲ素子という）等が知られている。

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、特許文献１がある。

特開２０００−５５９９７号公報

しかしながら、ＡＭＲ素子やＧＭＲ素子では、検出する磁束密度と出力電圧との関係が非線形の関係となっており、磁束密度と出力電圧が直線的な関係となっている範囲（磁束密度と出力電圧との関係を線形に近似できる範囲）が狭いという問題があった。

磁束密度と電流値は比例するので、従来の磁気センサを用いて電流検出を行う際には、検出対象となる電流値と出力電圧とが直線的な関係となる範囲が狭くなり、検出可能な電流値の範囲が狭くなってしまう。

また、使用可能な磁束密度の範囲が狭いために、磁気検出素子の配置の自由度も低くなってしまう。

従来、磁束密度（あるいは検出対象となる電流値）と出力電圧との間で直線的な関係が得られる範囲を広げるためには、磁気平衡方式等の複雑な測定法を採用する必要があった。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、磁束密度と出力電圧との間で直線的な関係が得られる範囲を広げることが可能な磁気センサを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、磁気検出素子と、該磁気検出素子の出力電圧を補正して出力する補正部と、を備え、前記補正部は、前記磁気検出素子の出力電圧から磁束密度を演算し、演算した磁束密度に対して線形の関係となる補正後出力電圧を演算し出力するように構成される磁気センサである。

前記補正部は、前記磁気検出素子での磁束密度Ｂと出力電圧Ｖとの関係が
Ｖ＝ｆ（Ｂ）
で表されるとき、下式
Ｖｏｕｔ＝ｍ・ｆ^-1（Ｖ）
但し、ｍ：係数
ｆ^-1（Ｖ）：ｆ（Ｂ）の逆関数
により、補正後出力電圧Ｖｏｕｔを演算し出力するように構成されてもよい。

前記磁気検出素子が、異方性磁気抵抗素子であってもよい。

前記磁気検出素子での磁束密度Ｂと出力電圧Ｖとの関係として、下式
Ｖ＝ｆ（Ｂ）＝ａ｛ｃｏｓ（ｂＢ＋ｃ）｝²＋ｄ
但し、ａ，ｂ，ｃ，ｄ：係数
または、下式
Ｖ＝ｆ（Ｂ）＝ａ｛ｓｉｎ（ｂＢ＋ｃ）｝²＋ｄ
但し、ａ，ｂ，ｃ，ｄ：係数
のいずれかを用いてもよい。

前記磁気検出素子が、巨大磁気抵抗素子であってもよい。

前記磁気検出素子での磁束密度Ｂと出力電圧Ｖとの関係として、下式
Ｖ＝ｆ（Ｂ）＝ａ｛ｃｏｓ（ｂＢ＋ｃ）｝＋ｄ
但し、ａ，ｂ，ｃ，ｄ：係数
または、下式
Ｖ＝ｆ（Ｂ）＝ａ｛ｓｉｎ（ｂＢ＋ｃ）｝＋ｄ
但し、ａ，ｂ，ｃ，ｄ：係数
のいずれかを用いてもよい。

本発明によれば、磁束密度と出力電圧との間で直線的な関係が得られる範囲を広げることが可能な磁気センサを提供できる。

本発明の一実施形態に係る磁気センサの概略構成図である。本発明において、検出する磁束密度と出力電圧との関係の一例を示すグラフ図である。本発明において、検出する磁束密度と補正後出力電圧との関係の一例を示すグラフ図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本実施形態に係る磁気センサの概略構成図である。

図１に示すように、磁気センサ１は、磁気検出素子２と、磁気検出素子２の出力電圧を補正して出力する補正部３と、を備えている。

ここでは、磁気検出素子２としては、検出する磁束密度と出力電圧との関係が非線形の関係となるＡＭＲ素子またはＧＭＲ素子を用いる。本実施形態では、磁気検出素子２としてＡＭＲ素子を用いる場合を説明する。ＡＭＲ素子における検出する磁束密度と出力電圧との関係は、例えば、図２のような関係となっている。

さて、本実施形態に係る磁気センサ１では、補正部３は、磁気検出素子２の出力電圧Ｖから磁束密度Ｂを演算し、演算した磁束密度Ｂに対して線形の関係となる補正後出力電圧Ｖｏｕｔを演算し出力するように構成されている。

より具体的には、補正部３は、磁気検出素子２での磁束密度Ｂと出力電圧Ｖとの関係が下式（１）
Ｖ＝ｆ（Ｂ）・・・（１）
で表されるとき、下式（２）
Ｖｏｕｔ＝ｍ・Ｂ＝ｍ・ｆ^-1（Ｖ）・・・（２）
但し、ｍ：係数
ｆ^-1（Ｖ）：ｆ（Ｂ）の逆関数
により、補正後出力電圧Ｖｏｕｔを演算し出力するように構成されている。

式（１）の磁束密度Ｂと出力電圧Ｖとの関係は、予め磁気検出素子２に対して任意の磁束密度Ｂを印加し、磁気検出素子２から出力される出力電圧Ｖを測定することを繰り返し、得られたデータを基に演算により得ることができる。

本実施形態では、磁気検出素子２としてＡＭＲ素子を用いているので、磁気検出素子２での磁束密度Ｂと出力電圧Ｖとの関係としては、下式（３）
Ｖ＝ｆ（Ｂ）＝ａ｛ｃｏｓ（ｂＢ＋ｃ）｝²＋ｄ・・・（３）
但し、ａ，ｂ，ｃ，ｄ：係数
または、下式（４）
Ｖ＝ｆ（Ｂ）＝ａ｛ｓｉｎ（ｂＢ＋ｃ）｝²＋ｄ・・・（４）
但し、ａ，ｂ，ｃ，ｄ：係数
のいずれかを用い、最小二乗法等により係数ａ〜ｄを求めるとよい。

なお、磁気検出素子２としてＧＭＲ素子を用いる場合には、磁気検出素子２での磁束密度Ｂと出力電圧Ｖとの関係として、下式（５）
Ｖ＝ｆ（Ｂ）＝ａ｛ｃｏｓ（ｂＢ＋ｃ）｝＋ｄ・・・（５）
但し、ａ，ｂ，ｃ，ｄ：係数
または、下式（６）
Ｖ＝ｆ（Ｂ）＝ａ｛ｓｉｎ（ｂＢ＋ｃ）｝＋ｄ・・・（６）
但し、ａ，ｂ，ｃ，ｄ：係数
のいずれかを用いるとよい。

式（３）〜（６）のいずれかで示される関数ｆ（Ｂ）の逆関数ｆ^-1（Ｖ）を求めることにより、式（２）の関係式を予め得ることができる。

補正部３は、予め求めた式（２）に、磁気検出素子２の出力電圧Ｖを代入することで、補正後出力電圧Ｖｏｕｔを演算し出力するように構成される。ここで、式（２）における係数ｍは、任意に設定可能であり、要求される出力電圧範囲に応じて適宜設定するとよい。磁束密度Ｂに対する補正後出力電圧Ｖｏｕｔの関係は、図３に示すように、傾きｍの直線で表される。なお、図３では、磁気検出素子２の出力電圧Ｖを破線にて示している。

なお、上記の式（３）〜（６）に限らず、例えば、関数ｆ（Ｂ）をＢの多項式で表すことも可能である。この場合、関数ｆ（Ｂ）の逆関数であるｆ^-1（Ｖ）もＶの多項式で表されることになる。

ここでは、補正部３を磁気検出素子２と一体に設けている（つまり１つの筐体内に磁気検出素子２と補正部３とが設けられている）場合を示しているが、補正部３は磁気検出素子２と別体に設けられていてもよい。補正部３を磁気検出素子２と別体に設ける場合、通常一般に使用されている磁気検出素子の出力電圧をそのまま出力する磁気センサに補正部３を取り付けるかたちとなり、簡単な構成で広い測定範囲を実現することが可能になる。

本実施形態に係る磁気センサ１を用いて電流検出を行う場合、磁気センサ１を検出対象となる電流の電流路４の近傍に配置し、磁気センサ１から出力される補正後出力電圧Ｖｏｕｔを検出する。その後、検出した補正後出力電圧Ｖｏｕｔを基に、下式（７）
Ｉ＝ｋ・Ｂ＝ｋ・Ｖｏｕｔ／ｍ・・・（７）
但し、ｋ：係数
により検出対象となる電流の電流値Ｉを求めるとよい。なお、式（７）におけるｋは、電流路４から磁気センサ１（磁気検出素子２）までの距離、温度等により決まる係数である。

以上説明したように、本実施形態に係る磁気センサ１では、磁気検出素子２と、磁気検出素子２の出力電圧Ｖを補正して出力する補正部３と、を備え、補正部３は、磁気検出素子２の出力電圧Ｖから磁束密度Ｂを演算し、演算した磁束密度Ｂに対して線形の関係となる補正後出力電圧Ｖｏｕｔを演算し出力するように構成されている。

このように構成することで、従来と比較して、磁束密度Ｂと出力電圧（補正後出力電圧Ｖｏｕｔ）との間で直線的な関係が得られる範囲を大幅に広げることが可能になる。つまり、複雑な測定法を用いずとも、広い被測定電流範囲にわたって直線的な出力電圧を得ることが可能になる。その結果、検出対象となる電流値の範囲を広げることが可能になり、また、磁気センサ１の配置の自由度も向上させることが可能になる。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

１磁気センサ
２磁気検出素子
３補正部
４電流路

Claims

磁気検出素子と、
該磁気検出素子の出力電圧を補正して出力する補正部と、を備え、
前記補正部は、前記磁気検出素子の出力電圧から磁束密度を演算し、演算した磁束密度に対して線形の関係となる補正後出力電圧を演算し出力するように構成される磁気センサであって、
前記磁気検出素子が、異方性磁気抵抗素子であり、
前記補正部は、
前記磁気検出素子での磁束密度Ｂと出力電圧Ｖとの関係が
Ｖ＝ｆ（Ｂ）＝ａ｛ｃｏｓ（ｂＢ＋ｃ）｝ ² ＋ｄ
但し、ａ，ｂ，ｃ，ｄ：係数
または、
Ｖ＝ｆ（Ｂ）＝ａ｛ｓｉｎ（ｂＢ＋ｃ）｝ ² ＋ｄ
但し、ａ，ｂ，ｃ，ｄ：係数
で表されるとき、下式
Ｖｏｕｔ＝ｍ・ｆ ^-1 （Ｖ）
但し、ｍ：係数
ｆ ^-1 （Ｖ）：ｆ（Ｂ）の逆関数
により、補正後出力電圧Ｖｏｕｔを演算し出力するように構成される
ことを特徴とする磁気センサ。
磁気検出素子と、
該磁気検出素子の出力電圧を補正して出力する補正部と、を備え、
前記補正部は、前記磁気検出素子の出力電圧から磁束密度を演算し、演算した磁束密度に対して線形の関係となる補正後出力電圧を演算し出力するように構成される磁気センサであって、
前記磁気検出素子が、巨大磁気抵抗素子であり、
前記補正部は、
前記磁気検出素子での磁束密度Ｂと出力電圧Ｖとの関係が
Ｖ＝ｆ（Ｂ）＝ａ｛ｃｏｓ（ｂＢ＋ｃ）｝＋ｄ
但し、ａ，ｂ，ｃ，ｄ：係数
または、
Ｖ＝ｆ（Ｂ）＝ａ｛ｓｉｎ（ｂＢ＋ｃ）｝＋ｄ
但し、ａ，ｂ，ｃ，ｄ：係数
で表されるとき、下式
Ｖｏｕｔ＝ｍ・ｆ ^-1 （Ｖ）
但し、ｍ：係数
ｆ ^-1 （Ｖ）：ｆ（Ｂ）の逆関数
により、補正後出力電圧Ｖｏｕｔを演算し出力するように構成される
ことを特徴とする磁気センサ。
１つの電流路と、
前記電流路に流れる電流の電流値を検出するための１つの磁気検出素子と、
該磁気検出素子の出力電圧を補正して出力する補正部と、を備え、
前記補正部は、前記磁気検出素子の出力電圧から磁束密度を演算し、演算した磁束密度に対して線形の関係となる補正後出力電圧を演算し出力するように構成される電流検出構造であって、
前記磁気検出素子が、異方性磁気抵抗素子であり、
前記補正部は、
前記磁気検出素子での磁束密度Ｂと出力電圧Ｖとの関係が
Ｖ＝ｆ（Ｂ）＝ａ｛ｃｏｓ（ｂＢ＋ｃ）｝ ² ＋ｄ
但し、ａ，ｂ，ｃ，ｄ：係数
または、
Ｖ＝ｆ（Ｂ）＝ａ｛ｓｉｎ（ｂＢ＋ｃ）｝ ² ＋ｄ
但し、ａ，ｂ，ｃ，ｄ：係数
で表されるとき、下式
Ｖｏｕｔ＝ｍ・ｆ ^-1 （Ｖ）
但し、ｍ：係数
ｆ ^-1 （Ｖ）：ｆ（Ｂ）の逆関数
により、補正後出力電圧Ｖｏｕｔを演算し出力するように構成される
ことを特徴とする電流検出構造。
１つの電流路と、
前記電流路に流れる電流の電流値を検出するための１つの磁気検出素子と、
該磁気検出素子の出力電圧を補正して出力する補正部と、を備え、
前記補正部は、前記磁気検出素子の出力電圧から磁束密度を演算し、演算した磁束密度に対して線形の関係となる補正後出力電圧を演算し出力するように構成される電流検出構造であって、
前記磁気検出素子が、巨大磁気抵抗素子であり、
前記補正部は、
前記磁気検出素子での磁束密度Ｂと出力電圧Ｖとの関係が
Ｖ＝ｆ（Ｂ）＝ａ｛ｃｏｓ（ｂＢ＋ｃ）｝＋ｄ
但し、ａ，ｂ，ｃ，ｄ：係数
または、
Ｖ＝ｆ（Ｂ）＝ａ｛ｓｉｎ（ｂＢ＋ｃ）｝＋ｄ
但し、ａ，ｂ，ｃ，ｄ：係数
で表されるとき、下式
Ｖｏｕｔ＝ｍ・ｆ ^-1 （Ｖ）
但し、ｍ：係数
ｆ ^-1 （Ｖ）：ｆ（Ｂ）の逆関数
により、補正後出力電圧Ｖｏｕｔを演算し出力するように構成される
ことを特徴とする電流検出構造。