JP2005345446A - 電流センサおよび過電流保護装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電流検出部での発熱、パワーロスがほとんどない電流センサを提供する。
【解決手段】 電流センサ１は、被測定電流を流すための導体１０と、導体１０に流した被測定電流により発生される磁束を集磁するための磁性体コア１１と、磁性体コア１１により集磁された磁束を検出するホール素子１２と、ホール素子１２からのアナログ信号と所定の基準信号との比較結果に基いて論理ハイ信号及び論理ロー信号に変換するシュミットトリガ１４とを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電流センサと、該電流センサを有する過電流保護装置とに関する。

過電流から回路を保護するため、温度ヒューズが所定の発熱量を超えたときに電流を遮断する方法が知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２００４−３７１４７号公報

しかしながら、ヒューズはその抵抗値が数１０ｍΩから数１００ｍΩであるから、電流路での電圧降下やそれに伴う発熱、パワーロスが生じ、また、ひとたび温度ヒューズが溶断して電流が遮断されると、当該ヒューズを取り換えない限り、再び電流を流すことができなかった。

そこで、本発明は、このような問題を解決し、電流検出部での発熱、パワーロスがほとんどない電流センサを提供し、ひとたび電流が遮断されても自動的に復帰して再び通電することができる過電流保護装置を提供することを目的とする。

請求項１の電流センサは、被測定電流を流すための導体と、該導体に流した前記被測定電流により発生される磁束を集磁するための磁性体コアと、該磁性体コアにより集磁された磁束を検出する磁気センサと、該磁気センサからのアナログ信号と所定の基準信号との比較結果に基いて論理ハイ信号及び論理ロー信号に変換する変換回路とを備えたことを特徴とする。

請求項１の電流センサにおいて、変換回路は、磁気センサからのアナログ信号を論理ハイ信号及び論理ロー信号に変換するシュミットトリガを有することができる。

請求項１の電流センサにおいて、変換回路は、磁気センサからのアナログ信号と基準信号とを比較して論理ハイ信号及び論理ロー信号に変換する比較器を有することができる。

請求項１ないし３のいずれかにおいて、磁気センサは、ホール素子とすることができる。

請求項１ないし４のいずれかの電流センサにおいて、磁性体コアは、筒状をしており、その内壁に、磁気センサと対向する方向に突出させた突起部を有することができ、導体は、磁性体コア外で一端を相互に導通させ、かつ磁性体コアの内側において相隔てて配した一対の導体とすることができ、磁気センサは、前記一対の導体の間でかつ磁性体コアの内側に配することができる。

請求項５の電流センサにおいて、導体は、被測定電流に起因する該導体の発熱を放熱するための放熱部を有することができる。

請求項５の電流センサにおいて、導体は、表面実装用のフォーミングを施したものとすることができる。

請求項６の電流センサにおいて、放熱部は、表面実装用のフォーミングを施すことができる。

請求項５の電流センサにおいて、磁性体コアのキャビティ内において一対の導体と磁気センサとを保持するための、弾性変形材で一体成型された保持部材を有することができる。

請求項１０の過電流保護装置は、請求項１ないし９のいずれかに記載の電流センサと、該電流センサからの論理ハイ信号又は論理ロー信号のいずれかに基き前記被測定電流を遮断し遮断後に復帰させる電流遮断復帰回路とを備えたことを特徴とする。

本発明は、上記のように構成したので、電流センサにおいては、電流検出部での発熱、パワーロスがほとんどなく、過電流保護装置においては、ひとたび電流が遮断されても自動的に復帰して再び通電することができる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

図１は本発明の第１の実施の形態を示す。これは、電流センサと、この電流センサを含む過電流保護装置との例である。図１において、１は電流センサであり、導体１０と、磁性体コア１１と、ホール素子１２と、増幅器１３と、シュミットトリガ１４と、駆動回路１５とを有する。

導体１０は、被測定電流を流すためのものであって、抵抗が小さく、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を採用したものが望ましい。特に安価に入手可能な銅を採用したものがより好ましく、この場合も、発熱やパワーロスがほとんどない。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のが望ましい。

磁性体コア１１は、導体１０に流れる被測定電流により発生する磁束を集磁するものであって、外部磁気ノイズに対する耐性を高くするため、筒状をしており、内壁に突起部を有する。磁性体コア１１は、種々の磁性材料を採用でき、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、磁性体コア１１の形状は、対称性のあるものが望ましい。ホール素子１２は、磁性体コア１１の内壁の突起部に対向する方向に配してあり、磁性体コア１１により集磁しホール素子１２を貫通する磁束に比例するホール電圧を発生するものである。

増幅器１３は、ホール素子１２からのホール電圧を増幅するものである。シュミットトリガ１４は、耐ノイズ性に優れており、増幅器１３からのアナログ信号を論理ハイ信号及び論理ロー信号に変換するものである。駆動回路１５は、トランジスタ１５１と抵抗１５２とを有し、トランジスタ１５１のベースがシュミットトリガ１４の出力端子と接続してあり、そのコレクタが抵抗１５２を介して電源に接続してあり、そのエミッタがグランドに接続してある。

５は電流低下信号発生器であり、電流センサ１により過電流が検出されたとき、電流センサ１からの論理ロー信号により、電流量を低下させるための信号を発生するものである。

４は被測定電流源であって、導体１０を介して、過電流から保護するための回路２に接続されており、また、スイッチ３を介して、回路２に接続されており、電流低下信号発生器５からの、電流量を低下させるための信号により、被測定電流源４の電流量を所定の電流量に低下させるものである。スイッチ３は、電流センサ１により過電流が検出されない状態では、駆動回路１５からの論理ハイ信号によりＯＮになり、他方、電流センサ１により過電流が検出されると、駆動回路１５からの論理ロー信号によりＯＦＦになる。

次に、電流センサ１の動作を説明する。導体１０に流れる被測定電流の電流量が予め定めた第１の電流量を超えると、すなわち、この電流により発生した磁束に比例した、ホール素子１２からのホール電圧であって、増幅器１３により増幅された電圧が、シュミットトリガ１４の立ち上がり信号閾値を超えると、駆動回路１５から論理ロー信号が出力される。他方、導体１０に流れる電流量が予め定めた第１の電流量を超え、ついでこの第１の電流量より小さい予め定めた第２の電流量未満になると、すなわち、この電流により発生した磁束に比例した、ホール素子１２からのホール電圧であって、増幅器１３により増幅された電圧が、シュミットトリガ１４の立ち下がり信号閾値未満になると、駆動回路１５から論理ハイ信号が出力される。

例えば、導体１０を流れる被測定電流が約１０Ａ以上になったとき、電流センサ１から論理ロー信号が出力され、その後、被測定電流が約７Ａ以下になったとき、再び、論理ハイ信号が出力される例を、図２に示す。

次に、過電流保護装置の動作を説明する。導体１０に過電流が流れない通常状態においては、電流センサ１から論理ハイ信号が出力され、これにより、スイッチ３がＯＮになり、被測定電流源４が、スイッチ３を介して、過電流から保護するための回路２に接続された状態のままである。

ひとたび導体１０に過電流が流れると、この過電流により発生した磁束に比例した、ホール素子１２からのホール電圧であって、増幅器１３により増幅された電圧が、シュミットトリガ１４の立ち上がり信号閾値を超え、電流センサ１から論理ロー信号が出力される。

すると、この論理ロー信号により、スイッチ３がＯＦＦになり、過電流から保護するための回路２が、被測定電流源４から遮断される。また、この論理ロー信号により、電流低下信号発生器５により、電流量を低下させるための信号が発生され、被測定電流源４に供給される。被測定電流源４は、電流量を低下させるための信号に応答して、被測定電流源４の電流量を所定の電流量に低下させる。したがって、再通電時には、回路２には、過電流は流れないことになる。

本実施の形態においては、ホール素子１２からのアナログ信号を論理ハイ信号及び論理ロー信号に変換するシュミットトリガ１４を用いた例を説明したが、このシュミットトリガに代えて、ホール素子１２からのアナログ信号と基準信号とを比較して論理ハイ信号及び論理ロー信号に変換する比較器を用いることができる。

＜第２の実施の形態＞
図３は本発明の第２の実施の形態を示す。これは、第１の実施の形態に係る電流センサ１の構成要素のうち、導体と、磁性体コアと、ホール素子とを一体に形成した例である。

すなわち、キャビティを有する磁性体コア３１であって、キャビティの内壁からホール素子３２と対向する方向に突出させた突起部を有する磁性体コア３１と、磁性体コア３１外で一端を相互に導通させ、この一端に放熱フィン３０ｆを設け、磁性体コア３１のキャビティ内に相隔てて配置した一対の導体３０と、一対の導体３０の間でかつ磁性体コア３１のキャビティ内に配置したホール素子３２と、モールド樹脂等の絶縁梱包体と、により一体に形成してある。

このように、ホール素子３２を磁性体コア３１のキャビティ内に配置したので、外部磁界に対する耐性が向上した。

一対の導体３０のうち磁性体コア３１外の部分と、放熱フィン３０ｆとは、表面実装が可能なようにフォーミングが施してあり、表面実装した場合には、導体３０に応力が加わっても導体３０は変形せず、また被測定電流による発熱を放熱フィン３０ｆを介して実装基板に放熱することができる。放熱フィン３０ｆの表面積は発熱量に基き決定される。

もし、増幅器１３と、シュミットトリガ１４と、駆動回路１５とを１つの集積回路に集積化した場合には、電流センサは、この集積回路と、上記の一体に形成した素子とにより構成することができる。

モールド樹脂等の絶縁梱包体に代えて、一対の導体３０と、ホール素子３２とを、磁性体コア３１のキャビティ内で保持するための保持部材を採用することができ、この場合、組み立てが容易で、小型化、大量生産が可能となる。

この保持部材としては、弾性変形し難燃性、耐トラッキング性の優れているＰＢＴ（Polybutylene terephthalate)）を使用するのが望ましい。

また、この保持部材は、磁性体コア３１のキャビティ内の一対の導体３０を覆うように保持するのが望ましい。

＜第３の実施の形態＞
図４は本発明の第３の実施の形態を示す。これは表面実装型電流センサの例である。図４（ｂ）は図４ （ａ）のＡ−Ａ線断面図であって、図１と同一部分は同一符号を付してある。この表面実装型電流センサは、基板４９上の第１アイランドに、ホール素子１２が搭載され、第２アイランドに、増幅器１３とシュミットトリガ１４と駆動回路１５とを有するＩＣチップ４８が搭載され、ホール素子１２とＩＣチップ４８とが所定のリード４６に配線され、導体１０ととともに、全体が樹脂封止型パッケージに収められ、このパッケージが、断面がＵ字状の磁性体コア１１と嵌合させてある。このパッケージからは、ＩＣチップ４８用のリード４６と、導体１０のパッケージ外に延在している部分とが、対向する側部から突出している。

導体１０を流れる被測定電流より発生する磁束を、ホール素子１２により高効率で検出するため、ホール素子１２は、磁性体コア１１の湾曲部から離れた位置に配するのが望ましく、したがって、導体１０は、磁性体コア１１の湾曲部に近く配するのが望ましい。

また、ホール素子１２の受感部は、磁性体コア１１の開口端から、磁性体コア１１の空隙長以上奥側に、配するのが望ましい。

磁性体コア１１が板状のものであるので、導体１０の２つの端子と、リード４６の４つの端子とを表面実装できるように、同一平面上に形成することができ、また組立性も向上する。

磁性体コア１１の磁性体としては種々の磁性材料を採用することができるが、板状で、断面形状がＵ字状に加工し易い珪素鋼板や、パーマロイ、電磁軟鉄などが望ましい。その中でも、ヒステリスが小さいＰＣパーマロイを用いると、より好ましい。磁性体コアの板厚は薄いほど望ましいが、磁性焼鈍時や輸送時の変形が起こらないよう配慮し、０．１ｍｍから０．５ｍｍの範囲内のものが望ましい。

磁性体コア１１内の磁束の集中を起こりにくくするため、磁性体コア１１の湾曲部の内側半径は、空隙長の半分の長さに近いほど望ましい。

磁性体コア１１が、リード４６と、導体１０のモールドパッケージ外に延在している部分（リード）とが接触しないようにするため、磁性体コア１１の幅は、モールドパッケージの幅よりも０．１ｍｍ以上狭い方が望ましい。

本発明の第１の実施の形態を示すブロック図である。 シュミットトリガ１４の動作を説明するための説明図である。 本発明の第２の実施の形態を示す図である。 本発明の第３の実施の形態を示す図である。

符号の説明

１ 電流センサ
２ 回路
３ スイッチ
４ 被測定電流源
５ 電流低下信号発生器
１０ 導体
１１ 磁性体コア
１２ ホール素子
１３ 増幅器
１４ シュミットトリガ
１５ 駆動回路

Claims (10)

1. 被測定電流を流すための導体と、
   該導体に流した前記被測定電流により発生される磁束を集磁するための磁性体コアと、
   該磁性体コアにより集磁された磁束を検出する磁気センサと、
   該磁気センサからのアナログ信号と所定の基準信号との比較結果に基いて論理ハイ信号及び論理ロー信号に変換する変換回路と
   を備えたことを特徴とする電流センサ。
2. 請求項１において、前記変換回路は、前記磁気センサからのアナログ信号を論理ハイ信号及び論理ロー信号に変換するシュミットトリガを有することを特徴とする電流センサ。
3. 請求項１において、前記変換回路は、前記磁気センサからのアナログ信号と基準信号とを比較して論理ハイ信号及び論理ロー信号に変換する比較器を有することを特徴とする電流センサ。
4. 請求項１ないし３のいずれかにおいて、前記磁気センサは、ホール素子であることを特徴とする電流センサ。
5. 請求項１ないし４のいずれかにおいて、前記磁性体コアは、筒状をしており、その内壁に、前記磁気センサと対向する方向に突出させた突起部を有し、
   前記導体は、前記磁性体コア外で一端を相互に導通させ、かつ前記磁性体コアの内側において相隔てて配した一対の導体であり、
   前記磁気センサは、前記一対の導体の間でかつ前記磁性体コアの内側に配してある
   ことを特徴とする電流センサ。
6. 請求項５において、前記導体は、前記被測定電流に起因する該導体の発熱を放熱するための放熱部を有することを特徴とする電流センサ。
7. 請求項５において、前記導体は、表面実装用のフォーミングを施してあることを特徴とする電流センサ。
8. 請求項６において、前記放熱部は、表面実装用のフォーミングを施してあることを特徴とする電流センサ。
9. 請求項５において、前記磁性体コアのキャビティ内において前記一対の導体と前記磁気センサとを保持するための、弾性変形材で一体成型された保持部材を有することを特徴とする電流センサ。
10. 請求項１ないし９のいずれかに記載の電流センサと、
    該電流センサからの論理ハイ信号又は論理ロー信号のいずれかに基き前記被測定電流を遮断し遮断後に復帰させる電流遮断復帰回路と
    を備えたことを特徴とする過電流保護装置。