JP2010112936A - 電流センサ、磁気検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気検出を用いた電流計測における電流検出範囲を広げることを可能とする技術を提供することを目的の一つとする。
【解決手段】電流センサ（１）は、磁束密度に応じた電気信号を出力する磁電変換素子（１０）と、上記磁電変換素子の周辺に配置された磁石（１２）と、を備え、上記磁電変換素子及び上記磁石を、ギャップ（３）を有する磁心（２）の当該ギャップに配置して用いられる。上記磁石のリコイル透磁率が１より大きいことも好ましい。また、上記磁石がボンド磁石であることも好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁界の強度に応じた電気信号を出力する電流センサの改良技術等に関する。

磁界の強度に応じた電気信号を出力する電流センサが知られており、例えば非接触での電流計測などに応用されている。具体的には、特開昭６２−２２２６０７号公報（特許文献１）における第４図には、電流の流れる電線の周囲を取り囲むようにして、一部が切り欠かれた略円筒形状の鉄心（環形状磁心）を設け、この鉄心の切り欠き部（ギャップ）にホール素子が配置されてなる電流検出素子が開示されている。この従来例の電流検出素子においては、電線に流れる電流に比例した磁束が鉄心に収束され、当該磁束が切り欠き部に挿入されたホール素子を貫通することによるホール効果によって発生するホール電圧を検出することによって、電線を流れる電流の大きさを測定する。このような電流検出素子は、検出可能な電流範囲は１Ａから５０００Ａを超えるものも一般化しており、産業用、車載用など幅広い分野で用いられている。例えば、インバータで制御するモータでは、モータ回転速度等を自由かつ連続的に、効率よく変化させるために、上記のような電流検出素子を相数に応じて複数用い、モータに流れる電流を検出する方式が一般的である。このような背景から、電流検出等に用いられる電流センサには、検出可能電流範囲を維持した小型化、高検出精度化等の要求が高まっている。

上記従来例のような電流計測技術において、検出可能な電流範囲を決める主な要因としては、磁心の飽和磁化、発生する磁界の磁束密度、磁束と直交する磁心断面積の大きさ、がある。このうち、磁心の飽和磁化については磁心の材料特性によって定まるものであり、現時点での上限値はパーメンジュールにおける２．５Ｔである。一般的には、磁心損失やコスト等の観点から大電流測定用にはＳｉ−Ｆｅ系の珪素鋼板が用いられることが多く、その場合の飽和磁化は２．０Ｔ以下となる。このため、検出可能な電流範囲を広げるには磁心断面積をより大きくする必要があり、磁心のダウンサイズが難しいという不都合が生じていた。

これに対し、特開２００５−２２１４９２号公報（特許文献２）には、上記従来例と同様にリング状の磁路の一部を切り欠いた部分にＭＩ素子を配置した電流センサにおいて、ＭＩ素子を配置するための切り欠き部分とは別のエアギャップを磁路中に設けること等によって、磁気飽和を回避し、電流の検出レンジを拡大する技術が開示されている。しかしながら、この特許文献２に係る従来例においては、電流の検出レンジをより拡大するにはエアギャップをより広げる必要があるという不都合がある。また、エアギャップを広げることで、電流に対する検出磁束の変化量を低減していため、高感度のＭＩ素子で補償しようとする考え方であるが、高感度化により、外乱によるロバスト性が低下するという問題も発生する。

特開昭６２−２２２６０７号公報 特開２００５−２２１４９２号公報

本発明に係る具体的態様は、磁気検出を用いた電流計測における電流検出範囲を広げることを可能とする技術を提供することを目的の一つとする。

本発明に係る一態様の電流センサは、磁束密度に応じた電気信号を出力する磁電変換素子と、上記磁電変換素子の周辺に配置された磁石と、を備え、上記磁電変換素子及び上記磁石を、ギャップを有する磁心の当該ギャップに配置して用いられる、電流センサである。

かかる構成によれば、磁石の発生する磁束（磁界）により磁心の磁束飽和を緩和することができる。その結果として、磁電変換素子によって検出可能な電流範囲の上限を高めることが可能となる。

上記の磁気センサにおいて、上記磁石のリコイル透磁率が１より大きいことも好ましい。例えば、リコイル透磁率は１．０５〜１．４程度の値をとり得る。

リコイル透磁率が１より大きい磁石をギャップに配置することにより、当該磁石が配置された部位においては比透磁率がより大きくなる。このため、磁界を発生する電流が同じである場合でも、ギャップにおける磁束密度がより高くなる。それにより、磁電変換素子に検知される磁束密度がより高くなり、磁気センサ全体としての検出感度が向上するという利点が得られる。さらに、検出感度が向上しても外乱によるロバスト性が低下するという問題も生じない、というメリットもある。

上記の電流センサにおいて、上記磁石がボンド磁石であることも好ましい。

ボンド磁石を用いることにより、渦電流による損失、成形の容易さ、寸法精度の高さ、形状自由度の高さ、機械的特性（欠け難さ等）などの利点が得られる。また、後述するような種々の態様の磁石を実現しやすい。

上記の電流センサにおいては、例えば、上記磁電変換素子と上記磁石とが相互に接して配置されてもよいし、上記磁電変換素子と上記磁石とが相互に離間して配置されてもよい。磁電変換素子と磁石との位置関係についても、両者を重畳して配置する態様、磁電変換素子の周囲を磁石によって囲む態様など種々の態様が考えられる。すなわち、磁電変換素子の周囲に何らかの状態で磁石が配置され、これらが磁心のギャップに配置されていればよい。また、必ずしも磁電変換素子や磁石の全体がギャップ内に納まっている必要はなく、少なくとも一部が収まっていればよい。

また、上記磁心が上記ギャップに配置された中間磁心を更に有している場合においては、上記磁石と上記磁電変換素子とは、上記中間磁心を挟んで配置されることも好ましい。別言すれば、磁心が複数のギャップを有している場合においては、何れのギャップに磁電変換素子が配置され、他のギャップに磁石が配置されることも好ましい。

上記の電流センサにおいて、上記磁電変換素子は、例えばホール素子である。なお、磁束密度に応じた電気信号を生成し得る限りにおいて、磁気インピーダンス等の他の素子を磁電変換素子として用いてもよい。

本発明に係る一態様の磁気検出方法は、ギャップを有する磁心の当該ギャップに、磁電変換素子及び磁石を配置し、上記ギャップにおける磁束密度に応じた電気信号を上記磁電変換素子によって検出する、磁気検出方法である。

かかる方法によれば、磁石の発生する磁束により磁心の磁束飽和を緩和することができる。その結果として、磁電変換素子によって検出可能な電流範囲の上限を高めることが可能となる。

本発明に係る電流センサ等によれば、磁電変換素子による電流検出範囲を広げることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、一実施形態の磁気センサ（電流センサ）の構成を模式的に示す側面図である。図１に示す本実施形態の磁気センサ１は、鉄などの磁性体（強磁性体）からなる環状磁心２のギャップ（切り欠き部）３に配置して用いられるものであり、磁束密度に応じた電気信号を出力する磁電変換素子１０と、この磁電変換素子１０の周囲に配置された磁石１２と、を含んで構成されている。環状磁心２の略中央を通る電流Ｉｏにより発生する磁束密度を磁電変換素子１０によって検出し、この磁束密度に応じた電気信号を得ることにより、間接的に電流Ｉｏの値を計測することができる。すなわち、本実施形態に係る磁気センサ１は、環状磁心２と組み合わせることによって電流検出装置として用いることができる。ここで、図１に例示した環状磁心２は円環状であるが、環状磁心２の形状はこれに限定されず、楕円環状や角型環状などの形状であってもよい。さらに、磁電変換素子と磁石は、別々に形成したギャップに別々に配置してもよい。

磁電変換素子１０は、所定の感磁部（感磁面）を有しており、この感磁部を磁界が通ったときにその磁束密度に応じた電気信号を出力する。ここでいう電気信号とは、電圧信号または電流信号をいう。磁電変換素子１０としては、例えば、ホール効果を利用して磁気−電気変換を行うホール素子が好適に用いられる。また、磁電変換素子１０によって検出された電気信号を増幅、整形する等の信号処理を行う電気回路を磁気センサ１に備えるようにしてもよい。

なお、磁電変換素子１０としてホール素子以外のもの、例えば磁気抵抗効果素子、磁気インピーダンス素子、フラックス・ゲートセンサなどを用いてもよい。

磁石（永久磁石）１２は、磁電変換素子１０の周辺（周囲）に設けられる。この磁石１２は、磁化の方向がギャップ３を通る磁束とほぼ平行になるように配置されることが最も好ましい。磁石１２の形状や配置状態には種々の態様が考えられ、それらについては後ほど例示する。磁石１２を磁電変換素子１０と組み合わせて環状磁心２のギャップ３に配置することで、磁石１２の発生する磁束によって環状磁心２の磁束飽和を緩和することができる。その結果として、磁電変換素子１０によって検出可能な電流範囲の上限を高めることができる。

ここで、磁石１２としては、保磁力が１０ｋＯｅ以上、残留磁束密度Ｂｒが３ｋＧ以上の特性のものを用いることが好ましい。また、磁石１２は、リコイル透磁率が１より大きいこと、より好ましくはリコイル透磁率が１．１以上であることが好ましい。環状磁心２のギャップ３における比透磁率は、磁石１２を介在させない場合には空気の値である１．０であるが、リコイル透磁率が１より大きい磁石１２を介在させることにより、当該磁石１２が配置された部位においては比透磁率がより大きくなる。このため、磁界を発生する電流Ｉｏが同じである場合でも、ギャップ３における磁束密度がより高くなる。例えば、リコイル透磁率が１．２の磁石１２を用いた場合には、ギャップ３が空気で満たされている場合に比べて、ギャップ３に発生する磁束密度が理論上１．２倍近くになる。このため、磁電変換素子１０によって検出される電気信号の値も種々の損失等を無視すれば理論上１．２倍となる。すなわち、リコイル透磁率が１より大きい磁石１２を用いることにより、磁気センサ１全体としての検出感度が向上するという利点が得られる。なお、ここでは説明の便宜上、ギャップ３の全体が磁石１２に占められているという簡単なモデルで検討したが、実際には後述するように磁石１２の配置態様は種々考えられる。しかし、それら何れの場合であっても程度の差はあるが同質の効果が得られる。

磁石１２としては如何なるものを用いてもよいが、整形の容易さ、寸法精度の高さ、形状自由度の高さ、機械的特性（欠け難さ等）、渦電流による損失を低減するといった観点からは、例えばボンド磁石を用いることが好ましい。ここでボンド磁石とは、磁石粉末をバインダー（結着剤）で固化成形したものの総称である。なお、磁石１２として、ボンド磁石以外の磁石を用いてもよい。

次に、図２及び図３に基づいて、磁電変換素子とその周辺に設けられる磁石の形状についての種々の態様を説明する。

図２においては、磁電変換素子と１つの板状の磁石を組み合わせるいくつかの態様が模式的な斜視図により示されている。例えば、図２（Ａ）には、磁電変換素子１０とほぼ同じ形状および同じ大きさの板状の磁石１２を磁電変換素子１０と互いに接した状態で一体に構成した磁気センサ１が示されている。この図２（Ａ）に示す磁気センサ１の全体の大きさは、環状磁心２のギャップ３にちょうど隙間なく収まる大きさであってもよいし、図示のように環状磁心２から隙間が生じる大きさであってもよい。さらに、磁電変換素子と磁石は、別々に形成したギャップに別々に配置してもよい。なお、以下に説明する他の態様も同様である。

図２（Ｂ）には、磁電変換素子１０とほぼ同じ形状および同じ大きさの板状の磁石１２を磁電変換素子１０と互いに離間した状態で構成した磁気センサ１が示されている。このように磁電変換素子１０と磁石１２とをある程度離れて配置することも可能である。それにより、磁気センサ１の配置の自由度を高めることができる。図２（Ｂ）に示すような構成の磁気センサ１は、図１に例示した環状磁心２と組み合わせて用いる場合のほか、例えば図４に示すような態様の環状磁心２ａと組み合わせて用いることも好適である。

具体的には、図４に例示する環状磁心２ａは、ギャップ３ａに配置された中間磁心４を有している。この場合、中間磁心４を挟んで磁石１２と磁電変換素子１０とを配置することができる。別言すれば、図４に例示する環状磁心２ａにおけるギャップ３ａは、中間磁心４を挟んで設けられた２つのギャップを有している。そして、当該２つのギャップのうち一方のギャップに磁電変換素子１０が配置され、他方のギャップに磁石１２が配置される。

図５に例示する環状磁心２ｂは、別々に形成された２つのギャップ３ｂ、３ｃを有している。詳細には、これらのギャップ３ｂ、３ｃは、環状磁心２ｂの中心部を挟んで対向した位置にある。そして、一方のギャップ３ｂに磁電変換素子１０が配置され、他方のギャップ３ｃに磁石１２が配置されている。このような構成の環状磁心２ｂは、半円状の磁心を２つ組み合わせることによって得られるので作製しやすいという利点がある。また、磁心が安定するという利点もある。なお、ギャップ３ｂとギャップ３ｃとは必ずしも対向配置されていなくてもよい。

図２（Ｃ）には、磁電変換素子１０よりも磁石１２のほうが大きい場合が例示されている。反対に、図２（Ｄ）には、磁電変換素子１０よりも磁石１２のほうが小さい場合が例示されている。これら各図に示すように、磁電変換素子１０と磁石１２との大小関係は特に限定されず、自由に設定することが可能である。なお、磁電変換素子１０と磁石１２とが互いに離間した状態であってもよく、その場合には図４に示すような環状磁心２ａと組みあわて用いることも好適であることは上記図２（Ｂ）に例示した場合と同様である。

図３においては、磁電変換素子と２つの磁石とを組み合わせる態様および磁電変換素子と中空の磁石とを組み合わせる態様が模式的な斜視図により示されている。例えば、図３（Ａ）には、磁電変換素子１０とほぼ同じ形状および同じ大きさの２つの磁石１２ａ、１２ｂによって磁電変換素子１０が挟まれ、かつ各磁石１２ａ、１２ｂのそれぞれと磁電変換素子１０とが互いに接した状態で一体に構成された磁気センサ１が示されている。

図３（Ｂ）には、磁電変換素子１０とほぼ同じ形状および同じ大きさの２つの磁石１２ａ、１２ｂによって磁電変換素子１０が挟まれ、かつ各磁石１２ａ、１２ｂのそれぞれと磁電変換素子１０とが互いに離間した状態で構成された磁気センサ１が示されている。なお、２つの磁石１２ａ、１２ｂの何れか一方が磁電変換素子１０と互いに接した状態で一体に構成されていてもよい。その場合には、図４に示したような環状磁心２ａと組みあわて用いることも好適である。具体的には、いずれか一方の磁石（例えば磁石１２ａ）と磁電変換素子１０とが中間磁心４の一端側に設けられ、他方の磁石（例えば磁石１２ｂ）が中間磁心４の他端側に設けられる。

図３（Ｃ）には、磁電変換素子１０の両端に２つの磁石１２ｃ、１２ｄを配置した状態で構成された磁気センサ１が示されている。なお、２つの磁石１２ｃ、１２ｄのそれぞれと磁電変換素子１０とは互いに接していなくてもよい（離間していてもよい）。また、図示の例では磁電変換素子１０の２辺を覆うように各磁石１２ｃ、１２ｄが配置されているが、磁電変換素子１０の４辺を覆うように磁石を配置してもよい（図示省略）。

図３（Ｄ）には、中空部を有する磁石１２ｅの内部に磁電変換素子１０が挿入された状態に構成された磁気センサ１が示されている。別言すれば、磁電変換素子１０はその周囲の４面を覆う状態で磁石１２ｅによって包まれている。なお、中空部の内部に挿入された磁電変換素子１０と磁石１２ｅとの間に隙間を生じるようにして磁気センサ１を構成してもよい。また、磁電変換素子１０の周囲の全体を覆うように磁石を構成してもよい（図示省略）。

以上のような本実施形態によれば、磁石の発生する磁束により磁心の磁束飽和を緩和することができる。その結果として、磁電変換素子によって検出可能な電流範囲の上限を高めることが可能となる。

なお、本発明は上述した実施形態の内容に限定されず、本発明の要旨の範囲内において種々に変形して実施をすることが可能である。

一実施形態の磁気センサの構成を模式的に示す側面図である。 磁電変換素子とその周辺に設けられる磁石の形状についての種々の態様を説明する模式的な斜視図である。 磁電変換素子とその周辺に設けられる磁石の形状についての種々の態様を説明する模式的な斜視図である。 環状磁心の他の構成態様を説明する模式的な側面図である。 環状磁心の他の構成態様を説明する模式的な側面図である。

符号の説明

１ 磁気センサ
２、２ａ、２ｂ 環状磁心
３、３ａ、３ｂ、３ｃ ギャップ（切り欠き部）
４ 中間磁心
１０ 磁電変換素子
１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ 磁石

Claims (8)

1. 磁束密度に応じた電気信号を出力する磁電変換素子と、
   前記磁電変換素子の周辺に配置された磁石と、を備え、
   前記磁電変換素子及び前記磁石を、ギャップを有する磁心の当該ギャップに配置して用いられる、電流センサ。
2. 前記磁石のリコイル透磁率が１より大きい、
   請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記磁石がボンド磁石である、
   請求項１又は２に記載の電流センサ。
4. 前記磁電変換素子と前記磁石とが離間して配置された、
   請求項１乃至３の何れか１項に記載の電流センサ。
5. 前記磁電変換素子と前記磁石とが接して配置された、
   請求項１乃至３の何れか１項に記載の電流センサ。
6. 前記磁心は、前記ギャップに配置された中間磁心を更に有しており、
   前記磁石と前記磁電変換素子とが前記中間磁心を挟んで配置される、
   請求項１乃至３の何れか１項に記載の電流センサ。
7. 前記磁電変換素子がホール素子である、
   請求項１乃至６の何れか１項に記載の電流センサ。
8. ギャップを有する磁心の当該ギャップに、磁電変換素子及び磁石を配置し、前記ギャップにおける磁束密度に応じた電気信号を前記磁電変換素子によって出力する、磁気検出方法。