JP2005233886A

JP2005233886A - 電流センサ

Info

Publication number: JP2005233886A
Application number: JP2004046162A
Authority: JP
Inventors: Shigetada Goto; 茂忠後藤; Takakimi Asai; 孝公浅井; Keiichi Komurasaki; 啓一小紫
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-02-23
Filing date: 2004-02-23
Publication date: 2005-09-02

Abstract

【課題】測定対象の被測定電流に対する測定感度がよく、かつ、小型化・低価格化が可能な電流センサを提供する。
【解決手段】被測定電流が流れると中心軸方向に磁束を発生するコイル状導体１と、このコイル状導体１の中心軸方向において、コイル状導体１の端面に近接して配置される磁電変換素子（例えば、ホール素子等）２を備える。
また、コイル状導体１の中心軸方向中央部に間隙部を設け、この間隙部に磁電変換素子２を配置することによって、さらに、測定感度の向上や小型化・低価格化を図ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電流検出に磁電変換素子を使用した電流センサに関するものである。

図８は、例えば特許文献１（特開平１０−２６７９６５号公報）に示された従来の電流センサを示したものであり、図８（ａ）はその斜視図、図８（ｂ）は側面図である。
特許文献１に示された従来の電流センサは、図８に示すように、被測定電流が流れる導体１０と、この導体１０の一部（幅狭部）に設けられた凸部１０ａと、この凸部１０ａの下方内側に凸部１０ａを流れる電流方向と垂直になるように設けられたホール素子等の磁電変換素子３０と、これら導体１０、凸部１０ａおよび磁電変換素子３０を相互に固着緊締して一体化する磁性体薄片２０を備えている。

そして、被測定電流が流れる導体１０の中間に幅狭部を設け、さらにその幅狭部を扁平な凸部となるように構成することにより、電流によって生じる凸部付近の磁界分布は、他の幅広導体部の周りに生じる磁界分布と異なり、局部的に縮小されているため磁束密度の高い磁界分布となる。さらに、磁性体薄片２０でホール素子（即ち、磁電変換素子３０）を挟持しているので磁束が一層収束され、測定感度を著しく増大させることが記載されている。
特開平１０−２６７９６５号公報（図１、図２、段落０００６、段落０００７）

図８に示した従来の電流センサでは、ある程度の高い測定感度を得ることができるが、
導体１０の中間部に幅狭部を設け、この幅狭部が扁平な凸部となるように加工する必要がある。さらに、磁電変換素子３０が受ける磁束の密度を高めるために、磁性体薄片２０の配設も必要である。
このように、従来の電流センサは導体１０の構造が複雑であると共に、磁束密度を高めるための磁性体薄片２０も必要とし、電流センサの小型化や低価格化が図れないとう問題点があった。
この発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、測定感度がよく、かつ、小型化・低価格化の可能な電流センサを提供することを目的とする。

この発明に係る電流センサは、被測定電流が流れると中心軸方向に磁束を発生するコイル状導体と、上記コイル状導体の中心軸方向において、上記コイル状導体の端面に近接して配置される磁電変換素子とを備えたものである。
また、上記コイル状導体は、中心軸方向の中央部に間隙が設けられ、上記間隙に磁電変換素子を配置したものである。

被測定電流を流す導体をコイル状にすることによって、被測定電流が流れることにより発生する磁束が収束し易く、磁束密度が高くなる。
従って、電流センサの測定感度を良くすることができる。
また、構成がシンプルであるので、小型化・低価格化を図ることができる。

以下、図面に基づいて、本発明の一実施の形態について説明する。
なお、各図間において、同一符号は、同一あるいは相当のものを表す。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る電流センサの構成を示す図である。
図において、１は被測定電流が流れるコイル状導体であり、線状の導体を複数回巻いて形成されている。
また、２は、磁束の貫通量に比例して電圧を出力するホール素子（ホールＩＣ）等の磁電変換素子である。
磁電変換素子２は、図に示すように、コイル状導体１の中心軸Ｓの延長方向において、コイル状導体１の端面より所定の距離ｄ離れた位置に配置されている。
また、３は、磁電変換素子２の出力端子である。

ここで、図１に示したようなコイル状導体に電流を流した場合に、コイル状導体の端面から中心軸Ｓ上で距離ｄ離れた位置のＰ点の磁束密度について説明する。
図２は、コイル（コイル状導体）１に電流Ｉを流した場合のＰ点における磁束密度を説明するための図である。
コイルの単位長巻数をｎ、コイルに流れる電流をＩとすると、Ｐ点の磁束密度Ｂは、次の式で示される。
Ｂ＝μ_０・Ｉ・ｎ・（ｃｏｓθ_１−ｃｏｓθ_２）／２
また、コイル端のＰ１点での磁束密度Ｂは、コイル長をｌとすると、
Ｂ＝μ_０・Ｉ・ｎ／２・ｌ／（ａ^２＋ｌ^２）^１／２
で表される。

図３は、コイル状導体１のターン数を変えて、Ｐ１点における磁束密度を測定した時の実測データである。
コイル状導体１は、φ（直径）１．６ｍｍの導線を用いて１層巻で構成し、半径ａが、１．５ｍｍ、３ｍｍ、５ｍｍのコイル状導体１にＩ＝１Ａの電流を流した場合のＰ１点における磁束密度を示している。
図３より明らかなように、コイル状導体１のターン数が５以上あれば、Ｐ１点における磁束密度Ｂは飽和する。即ち、コイル状導体１のターン数を５以上としても、Ｐ１点における磁束密度Ｂはほとんど増加せず、ターン数は５程度で良いことが判る。
なお、当然のことながら、同じ電流を流せばコイル状導体１の半径ａが小さいほど磁束密度は大きくなることも判る。

コイル状導体１に被測定電流が流れると、磁電変換素子２の方向に向かって磁束が発生する。
コイル状導体１は、複数のターン数を有するコイル状に加工しているので、各ターンを構成する導体部で発生した磁束は収束し、磁電変換素子部分の磁束密度が高くなる。
ここで重要なことは、磁電変換素子２をコイル状導体１の端面に出来る限り近接配置さ
せることである。
つまり、磁電変換素子２に貫通する磁束の強さは被測定電流大きさに比例し、磁電変換素子２とコイル状導体１の端面との距離ｄに反比例する。
なお、コイル状導体１と磁電変換素子２の位置関係を保持するためには、非磁性の樹脂材等でコイル状導体１と磁電変換素子２とを固着すればよい。

以上のように、本実施の形態によれば、被測定電流が流れるコイル状導体１の端面に磁電変換素子２を近接配置するという非常にシンプルな構成でありなが、磁電変換素子部分の磁束密度が高くなり、高感度な電流センサを実現することができる。
即ち、被測定電流が微小電流でも、測定感度がよく、かつ、小型化・低価格化の可能な電流センサを提供することができる。

実施の形態２．
図４は、実施の形態１による電流センサのゲイン減衰特性を説明するための実測データである。
具体的には、図４は、コイル状導体１のターン数がそれぞれ５ターン（１層巻）であり、半径ａが、１．５ｍｍ、３ｍｍ、５ｍｍの３種類のコイル状導体１にＩ＝１Ａの電流を流した場合において、コイル状導体１の端面と磁電変換素子２との間の距離ｄを変化させたときのゲイン［ｍｖ／Ａ］の減衰特性を示すグラフである。
なお、ゲインとは、コイル状導体１に流れる電流（Ａ）と磁電変換素子２の出力端子３に出力される電圧（ｍｖ）との比である。
なお、図５は、ｄ＝０ｍｍ、ｄ＝１ｍｍ、ｄ＝２ｍｍ、ｄ＝３ｍｍの時の上記３種類のコイル状導体１を用いた場合のゲイン［ｍｖ／Ａ］の実測値を示すデータである。

図４あるいは図５より明らかなように、コイル状導体１の端面と磁電変換素子２との間の距離ｄが大きくなるほどゲインは小さくなる。
距離ｄを小さくすれば（即ち、磁電変換素子２をコイル状導体１の端面にできるだけ近接配置すれば）ゲインは大きくなるが、製造上の制約があるため、距離ｄは２ｍｍ程度は必要であり、ゲインの低下が大きい。
つまり、前述の実施の形態１による電流センサは、コイル状導体１の端面と磁電変換素子２との間の距離ｄが大きくなるほどゲインが小さくなるという欠点を有している。
本実施の形態２による電流センサは、このような実施の形態１による電流センサの欠点を改善したものである。

図６は、実施の形態２に係る電流センサの構成を示す図である。
図において、１は被測定電流が流れるコイル状導体、２は磁束の貫通量に比例して電圧を出力するホール素子（ホールＩＣ）等の磁電変換素子である。
本実施の形態では、コイル状導体１は、中心軸Ｓ方向の中央部に間隙（ギャップ）Ｇを設け、該間隙Ｇに磁電変換素子２を配置したことを特徴とする。
図７は、本実施の形態による電流センサにおいて、コイル状導体１の半径ａが３ｍｍ、コイル状導体１の総ターン数が６ターン（３ターン＋３ターン）であり、コイル中央部（即ち、３ターンと３ターンの間）にＧ＝５ｍｍの間隙を設け、この間隙に磁電変換素子２を配置したときのゲイン実測値の例を示すデータである。

図７に示すように、磁電変換素子２を間隙Ｇの中央に配置したときのゲインは２８．９［ｍｖ／Ａ］であり、磁電変換素子２を間隙Ｇの中央から±２．５ｍｍの位置に配置したときのゲインは３２．２［ｍｖ／Ａ］であつた。
即ち、本実施の形態による電流センサによれば、磁電変換素子２を間隙Ｇ内配置すれば、その配置位置にあまり影響されずに、安定して高いゲインを得られることが判る。
このように、本実施の形態によれば、コイル状導体１の中央部に間隙Ｇを設け、該間隙Ｇに磁電変換素子２を配置したことにより、磁電変換素子２が受ける磁束の漏れが低減でき、更に磁束密度が高くなる。
従って、実施の形態１による電流センサよりもさらに測定感度が高く、かつ、小型化・低価格化の可能な電流センサを提供することができる。

測定感度がよく、かつ、小型化・低価格化の可能な電流センサの実現に有用である。

実施の形態１に係る電流センサの構成を示す図である。コイル状導体に電流を流した場合に発生する磁束の磁束密度を説明するための図である。コイル状導体の端面における磁束密度の実測データである。実施の形態１による電流センサのゲイン減衰特性を示すグラフである。図４に示したグラフの実測データである。実施の形態２に係る電流センサの構成を示す図である。実施の形態２に係る電流センサにおけるゲイン実測値を示すデータである。従来の電流センサの構成を示す図である。

符号の説明

１コイル状導体
２磁電変換素子
３磁電変換素子の出力端子

Claims

被測定電流が流れると中心軸方向に磁束を発生するコイル状導体と、上記コイル状導体の中心軸方向において上記コイル状導体の端面に近接して配置される磁電変換素子とを備えたことを特徴とする電流センサ。
上記コイル状導体は、中心軸方向の中央部に間隙が設けられ、上記間隙に磁電変換素子を配置したことを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
上記磁電変換素子は、ホール素子で構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。