JP2005055405A

JP2005055405A - 電流センサ

Info

Publication number: JP2005055405A
Application number: JP2003289226A
Authority: JP
Inventors: Kenji Kuriyama; 憲治栗山; Kenji Suzuki; 健治鈴木
Original assignee: Asahi Kasei Electronics Co Ltd
Current assignee: Asahi Kasei Electronics Co Ltd
Priority date: 2003-08-07
Filing date: 2003-08-07
Publication date: 2005-03-03

Abstract

【課題】一つの電流センサで複数の被測定電流を検出し、磁気センサの出力信号の調整を不要にし、生産・組立性の向上、小型化・低価格化を実現し、耐磁気ノイズ性を持つ表面実装型の電流センサを提供する。
【解決手段】電流経路２１，２２は略平行な２つの直線部と該直線部を結ぶ曲部を含む。磁性体４は、ギャップ部と、ギャップ部において対向する凸部を有し、電流経路２１，２２の直線部が挿通される。凸部の間に磁気センサ１１，１２が配設される。ギャップ部は磁性体４に複数配設されており、電流経路２１と磁気センサ１１の組が１つのギャップ部に、電流経路２２と磁気センサ１２の組が別のギャップ部に１組ずつ配設される。
【選択図】図２

Description

本発明は電流センサに関する。特に詳細には、本発明は、電流が発生する磁束を磁気センサによって検出することで、前記電流の電流量を測定する電流センサに関する。

一般に磁気センサとしてはホール効果を利用したホールセンサ、磁気抵抗素子等が知られている。従来より、磁気センサを用いた電流センサは図１に示すような構造のものが広く知られている。（例えば特許文献１参照。）図１に示す一般的な電流センサは、電流経路２に電流が流れることによって発生する磁束を磁性体４なるコアで集磁し、磁性体４のギャップ部に配置された磁気センサ１により検出される磁束の変化から電流量を測定するように構成されている。

特開平５−３１２８３９号公報

しかしながら、図１に示したような構造の電流センサは、電流を流す金属導体（電流経路２）とその周囲を囲む形状を有する磁性体コア（磁性体４）が必要であったため小型化が困難であった。また、検出しなければならない電流相が複数ある場合、複数個の電流センサが必要になるため、電流センサを実装するプリント基板上に占める電流センサの割合が大きくなってしまう。またこの場合、電流センサを複数個用意しなければならず、コストがかかってしまうという問題があった。また、それぞれの電流センサには磁気センサが配置される磁性体コアのギャップ部の長さのばらつきに起因して磁気センサの出力信号にばらつきが生じる。このため、複数個の電流センサを使用する場合、アンプゲインを調整するなどして出力信号のレベルを揃える必要があった。更に、電流センサ同士を近接させると他相電流からの磁場の影響を受けて正確な電流値を検出できなくなる問題があった。

本発明の目的は、複数のギャップ部が形成された磁性体と、各ギャップ部に配設される電流経路と磁気センサの組とで一つの電流センサを構成することで、一つの電流センサにより各電流経路を流れる複数の被測定電流値を検出でき、複数の被測定電流を検出する複数の磁気センサ間の出力信号の差異を低減することで出力信号の調整を不必要にし、生産・組立性の向上、小型化・低価格化を実現し、耐磁気ノイズ性を持つ表面実装型の電流センサを提供することにある。

本発明に係る電流センサは、略平行な２つの直線部と該直線部を結ぶ曲部を含む電流経路と、ギャップ部を有し、かつ該ギャップ部において互いに対向する凸部を有し、前記電流経路の前記２つの直線部が挿通される磁性体と、前記凸部の間に配設された磁気センサと、前記電流経路の前記直線部の端部と前記磁気センサの端子が前記磁性体に対して同一の側に位置するように、前記電流経路、前記磁気センサおよび前記磁性体を保持する保持部材とを備え、前記ギャップ部は前記磁性体に複数配設されており、前記電流経路と前記磁気センサの組が、前記それぞれのギャップ部に１組ずつ配設されており、前記それぞれの電流経路を流れる被測定電流に応じたそれそれの磁束を前記それぞれの磁気センサにより検出することを特徴とするものである。

一般に複数の前記被測定電流を検出するとき、電流センサを複数個使用するため電流センサを構成するそれぞれの部品が使用する電流センサの数だけ必要になるが、本発明に係る電流センサによれば、前記磁気センサと前記電流経路のみ前記被測定電流の数だけあればよいので、部品点数を削減でき、小型化、低価格化を実現できる。

また、前記磁性体は筒状に閉じた形状を成し、前記磁気センサとの対向位置にそれぞれ凸部を有するため外来磁気ノイズに対して非常に耐性が高い。

また、前記磁性体は、焼成や打ち抜きなどによる一体成型が可能であるため、前記磁気センサとの対向位置にある凸部が形成する空隙長のばらつきを小さくすることができ、それにより複数の被測定電流を検出する複数の磁気センサ間の出力信号の差異を低減し、磁気センサの出力信号の調整を不必要にすることができる。

前記電流経路を形成する金属導体の直線部分の端部と前記磁気センサの端子が、前記磁性体に対して同一の側に配置されるため表面実装が容易になる。

また、本発明の別の形態として、前記保持部材は、前記電流経路が挿通される挿入部と前記電流経路を係止する第１係止部と、前記磁性体を係止する第２係止部と前記磁気センサを係止する第３係止部を備えることができる。

前記保持部材に前記挿入部や前記第１から第３の係止部を設けることで、組立・保持が容易になり生産性及び組立性を向上させることができ、価格を低減することができる。

略平行な２つの直線部と該直線部を結ぶ曲部を含む電流経路と、ギャップ部を有し、かつ該ギャップ部において互いに対向する凸部を有し、前記電流経路の前記２つの直線部が挿通される磁性体と、前記凸部の間に配設された磁気センサと、前記電流経路の前記直線部の端部と前記磁気センサの端子が前記磁性体に対して同一の側に位置するように、前記電流経路、前記磁気センサおよび前記磁性体を保持する保持部材とを備え、前記ギャップ部は前記磁性体に複数配設されており、前記電流経路と前記磁気センサの組が、前記それぞれのギャップ部に１組ずつ配設されており、前記それぞれの電流経路を流れる被測定電流に応じたそれそれの磁束を前記それぞれの磁気センサにより検出する上記構成をとることにより、一つの電流センサで複数の被測定電流を検出することができる。また、磁気センサとの対向位置にある凸部が形成する空隙長のばらつきを小さくできるために複数の被測定電流を検出する複数の磁気センサ間の感度の差異を低減して磁気センサの出力信号の調整を不要にすることができる。さらに、生産・組立性の向上、小型化・低価格化を実現し、耐磁気ノイズ性を持つ表面実装型の電流センサを提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の電流センサの最良の実施形態を説明する。

図２は、本発明の電流センサにおいて、２相の電流が測定できる電流センサの実施例を示す斜視図である。

図２における電流センサは、電流経路２１に電流が流れることによって発生する磁束の検出手段である磁気センサ１１（この例ではホール効果を利用したホールセンサ）と、電流経路２２に電流が流れることによって発生する磁束の検出手段である磁気センサ１２（同様にホールセンサ）とを有している。さらに磁気センサ１１、１２の出力を前記被測定電流の電流量に換算する半導体集積回路（図示せず）を有する。電流経路２１は、略平行な２つの直線部と、これら直線部を結ぶ曲部を含んでいて、直線部が同一方向に折り返す形状とされている。曲部の中間部には短い直線部があり、全体として略コ字状である。電流経路２１の形状は直線部が同一方向に折り返す形状であればよく、全体として略Ｕ字状でもよい。

磁性体４の１つの空隙部には電流経路２１と磁気センサ１１が配置され、もう１つの空隙部には電流経路２２と磁気センサ１２が配置されている。磁性体４の内部形状は曲面またはテーパーを有している。

磁性体４は、空隙部内で対向する凸部を有しており、両凸部の間に磁気センサ１１が配設される。これら凸部の磁気センサ１１と対向する面は、磁気センサ１１の感磁部と略平行になるように配置されており、感磁部の面積は磁性体４の対向面（凸部面）の面積よりも小さくなっている。

電流経路２１は保持部材３と一体成型されている挿入部３１に挿通され、保持部材３と一体成型されている鉤状の第１係止部３２により係止されている。電流経路２２についても同様である。また、磁性体４は保持部材３と一体成型されている鉤状の第２係止部３３により係止されている。また、磁気センサ１１は保持部材３と一体成型されている鉤状の第３係止部（図２では隠れていて見えない）により係止されている。保持部材３、第１係止部３２、第２係止部３３、および第３係止部は、弾性変形する樹脂材料で一体成型されている。磁気センサ１２についても同様である。

図３は図２に示した電流センサの模式的な平面図である。簡単のために、図２に示した保持部材３と挿入部３１と第１係止部３２は省略してある。

電流経路２１に流れる被測定電流Ｉ１が発生する磁束は磁気センサ１１により検出される。また電流経路２２に流れる被測定電流Ｉ２が発生する磁束は磁気センサ１２により検出される。破線は電流経路に電流が流れることによって発生する磁束を簡略化して示すものである。

図４は図２に示した電流センサにおいて、電流経路２１に２０Ａ（ピーク値。以下、同様。）の交流電流を通電し、電流経路２２に電流を通電しなかったときの磁気センサ１１の出力電圧ｖ１と磁気センサ１２の出力電圧ｖ２を示す特性図である。図４並びに以下の図５および図６において、横軸は時間を、縦軸は各磁気センサの出力電圧値を示す。

また、図５は図２に示した電流センサにおいて、電流経路２１と電流経路２２にそれぞれ２０Ａの交流電流を通電したときの磁気センサ１１と磁気センサ１２の出力電圧ｖ１とｖ２を示す特性図である。電流経路２１に流れる電流Ｉ１と電流経路２２に流れる電流Ｉ２の位相差は１２０°としている。磁気センサ１１、１２の出力電圧ｖ１とｖ２の位相差も１２０°となる。

また、図６は図２に示した電流センサにおいて、電流経路２１と電流経路２２にそれぞれ２０Ａの交流電流を通電したときの磁気センサ１１と磁気センサ１２の出力電圧ｖ１とｖ２を示す特性図である。電流経路２１に流れる電流Ｉ１と電流経路２２に流れる電流Ｉ２の位相差は１８０°の逆相としている。磁気センサ１１、１２の出力電圧ｖ１とｖ２の位相差も逆相となる。

図４〜図６より、電流経路１に基づく出力は、電流経路２に流れる電流の状態によって電圧値が変化することが無いこと（無通電（図４）、位相差１２０°（図５）、および位相差１８０°（図６）の場合を参照）がわかる。

図７は、本発明の電流センサにおいて、３相の電流が測定できる電流センサの実施例を示す模式的な平面図である。簡単のために、図２に示した保持部材３と挿入部３１と第１係止部３２は省略してある。

電流経路２１に流れる被測定電流Ｉ１が発生する磁束は磁気センサ１１により検出される。電流経路２２に流れる被測定電流Ｉ２が発生する磁束は磁気センサ１２により検出される。また、電流経路２３に流れる被測定電流Ｉ３が発生する磁束は磁気センサ１３により検出される。破線は電流経路に電流が流れることによって発生する磁束を簡略化して示すものである。

本発明の電流センサにおいて、３相以上の電流を測定する電流センサ（実施例２は３相を例示している）においても、同様に被測定電流の数だけの磁気センサの出力電圧を測定することが可能であり、図４〜図６を参照して説明したのと同様に、１つの電流経路に基づく出力電圧は、他の電流経路に流れる電流の状態によって電圧値が変化することが無い。

（その他変形例の例示）
なお、本発明の要旨を逸脱しない範囲で上記磁気センサの実施例に種々の変形を施したものを本発明の範囲に含めることができ、例えば、磁気センサ１１、１２には、ホール効果を利用したホールセンサ、磁気抵抗効果を利用した磁気抵抗素子等様々なものの適用が可能であり、アナログ出力型の磁気センサが望ましい。

電流経路２１、２２としては、抵抗が小さく被測定電流の電圧降下が生じないもので、かつ被測定電流が流れていないとき電流経路に残留磁界が生じない非磁性体金属材料を用いることが望ましい。その中でも、特に安価に入手可能な銅を用いることがより好ましい。また、メッキ材料も非磁性である半田メッキや錫メッキを用いることが望ましい。また、電流経路２１、２２の配置間隔もできる限り大きい方が望ましい。

また、磁性体４についても様々な磁性材料が適用できるが、珪素鋼板や、パーマロイ、電磁軟鉄などのソフトマグネティック金属材料を打ち抜き積層したものやフェライトを焼成したものが望ましい。また、磁性体４の形状も、対称性がよいものが望ましい。

保持部材３としては、弾性変形し難燃性、耐トラッキング性の優れているＰＢＴを使用することが望ましい。また、電流経路２１、２２が挿通される挿入部３１は、電流経路２１、２２を覆うように保持されていることが望ましい。

また、磁気センサ１１、１２は磁性体４に対して電流経路２１、２２の端部側から差込み、係止部３により保持する構造が望ましい。これにより、磁気センサ端子のフォーミング形状や端子数、端子間隔が変わっても組み付けが可能となる。また、保持部材３の磁気センサ１１、１２と電流経路２１、２２の端部が保持される側に少なくとも一つの凸部が形成されていて、これにより実装基板との接触面積を小さくする形状を採用することが望ましい。

従来の電流センサの一例の構造を示す斜視図である。本発明に係る電流センサの実施例１を示す斜視図である。本発明に係る電流センサの実施例１を示す模式的な平面図である。図２に示した電流センサにおいて磁気センサの出力を示す図である。図２に示した電流センサにおいて磁気センサの出力を示す図である。図２に示した電流センサにおいて磁気センサの出力を示す図である。本発明に係る電流センサの実施例２を示す模式的な平面図である。

符号の説明

１磁気センサ
２電流経路
３保持部材
４磁性体
３１挿入部
３２第１係止部
３３第２係止部

Claims

略平行な２つの直線部と該直線部を結ぶ曲部を含む電流経路と、ギャップ部を有し、かつ該ギャップ部において互いに対抗する凸部を有し、前記電流経路の前記２つの直線部が挿通される磁性体と、前記凸部の間に配設された磁気センサと、前記電流経路の前記直線部の端部と前記磁気センサの端子が前記磁性体に対して同一の側に位置するように、前記電流経路、前記磁気センサおよび前記磁性体を保持する保持部材とを備えた電流センサにおいて、
前記ギャップ部は前記磁性体に複数配設されており、
前記電流経路と前記磁気センサの組が、前記それぞれのギャップ部に１組ずつ配設されており、
前記それぞれの電流経路を流れる被測定電流に応じたそれそれの磁束を前記それぞれの磁気センサにより検出することを特徴とする電流センサ。
前記保持部材は、前記電流経路が挿通される挿入部と前記電流経路を係止する第１係止部と、前記磁性体を係止する第２係止部と前記磁気センサを係止する第３係止部を備えていることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
前記保持部材は弾性変形する材料で一体成型されていて、前記第１から第３の係止部が鉤状に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電流センサ。
前記磁性体の内部形状は曲面またはテーパーを有する請求項１から３のいずれかに記載の電流センサ。
前記磁性体の凸部の前記磁気センサに対向する面は、前記磁気センサの感磁部と略平行になるように配置され前記感磁部の面積は前記対向面の面積よりも小さいことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の電流センサ。
前記磁気センサがホール効果を利用したホールセンサであることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の電流センサ。
前記磁気センサ出力を前記被測定電流の電流量に換算する半導体集積回路を有することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の電流センサ。