JP2008145352A - 電流センサ及び電流検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は導電線の周囲に発生する磁界に応じて導電線に流れる電流を検出する電流センサに関し、外部磁界による計測誤差を低減できる電流センサを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、導電線の周囲に発生する磁界に応じて導電線に流れる電流を検出する電流センサにおいて、導電線の周囲に磁路を形成する磁性体と、磁性体により形成される磁路に挿入され、磁路に流れる磁束に応じた信号を出力する第１の磁界検出手段と、第１の磁界検出手段と導電線を挟んで平行となるように、磁路に挿入され、磁路に流れる磁束に応じた信号を出力する第２の磁界検出手段と、第１の磁界検出手段の出力から第２の磁界検出手段の出力を減算する減算手段とを有することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は電流センサ及び電流検出方法に係り、特に、導電線の周囲に発生する磁界に応じて導電線に流れる電流を検出する電流センサ及び電流検出方法に関する。

電池を駆動電源として駆動されるハイブリッド車などの車両では、電池から充放電される電流を検出することにより、電池の残量を計測している。電池の充放電電流は、電流センサにより電池と負荷との間に接続されたケーブルに流れる電流を検出することにより計測される。

この種の電流センサは、ケーブルの周囲の磁気ギャップを有する磁性体コアを配置し、さらに、磁気ギャップに磁気センサを配置し、ケーブルに流れる電流によって磁性体コアにケーブルに流れる電流に応じた磁束は流し、磁気ギャップに配置された磁気センサによって磁束を検出することにより、ケーブルに流れる電流を検出する構成とされている（例えば、特許文献１、２、３参照）。

図１０は従来の電流センサの一例の構成図を示す。

電流センサ１０は、コア１１に形成されたギャップＧ10にホール素子１２を配置した構成とされている。コア１１は磁性体からなり、測定対象となるケーブル１３を囲むように配置されている。ケーブル１３に電流が流れると、ケーブル１３の周囲に磁束Ｍ10が発生する。ケーブル１３の周囲に発生した磁束Ｍ10は、コア１１に誘導される。

コア１１に誘導された磁束Ｍ10は、ギャップＧ10でホール素子１２に供給される。ホール素子１２には、ケーブル１３に流れる電流に応じた磁束Ｍ10が貫通する。これにより、ホール素子１２は、貫通する磁束Ｍ10に応じた電圧を出力する。これにより、ホール素子１２の出力電圧によってケーブル１３に流れる電流を検出することが可能となる。

なお、故障を検知することを目的として、コアに２つのギャップを設け、各々のギャップに感磁素子を配置し、２つの感磁素子の出力信号を比較して、故障を検知する電流センサが提案されている（例えば、特許文献４参照）。
特開２００５−２９２１０９号公報 特開平１０−２３２２４８号公報 特開平６−２０１７３２号公報 特開２０００−２７５２７９号公報

しかるに、従来の電流センサでは、外乱磁界によりホール素子に発生する誤差を考慮しておらず、外乱磁界はホール素子を貫通し、ホール素子を貫通した外乱磁界によりホール素子の出力信号に誤差が発生していた。

本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、外部磁界による計測誤差を低減できる電流センサ及び電流検出方法を提供することを目的とする。

本発明は、導電線の周囲に発生する磁界に応じて該導電線に流れる電流を検出する電流センサにおいて、前記導電線の周囲に磁路を形成する磁性体と、前記磁性体により形成される磁路に挿入され、前記磁路に流れる磁束に応じた信号を出力する第１の磁界検出手段と、前記第１の磁界検出手段と前記導電線を挟んで平行となるように、前記磁路に挿入され、前記磁路に流れる磁束に応じた信号を出力する第２の磁界検出手段とを有し、前記第１の磁界検出手段及び前記第２の磁界検出手段は、周囲に一様に印加される磁界に対して同じ極性の信号を出力するように配置されていることを特徴とする。

また、第１の磁界検出手段と第２の磁界検出手段とは、磁性体により形成される磁路の中心に対して対称に配置されることを特徴とする。

磁性体は、磁路が矩形状となるように成形されていることを特徴とする。また、磁性体は磁路が円環状となるように成形されていることを特徴とする。磁性体は、第１のコア及び第２のコアから構成され、第１のコアと前記第２のコアとを同一形状としたことを特徴とする。

第１の磁界検出手段及び第２の磁界検出手段は、ホール効果素子から構成されていることを特徴とする。第１の磁界検出手段の出力から前記第２の磁界検出手段の出力を減算する減算手段とを有することを特徴とする。

また、本発明は、導電線の周囲に発生する磁界に応じて導電線に流れる電流を検出する電流検出方法において、導電線の周囲に磁性体を配置し、周囲に一様に印加される磁界に対して同じ極性の信号が出力されるように磁性体に第１の磁界検出手段及び第２の磁界検出手段を配置し、第１の磁界検出手段の出力から第２の磁界検出手段の出力を減算することにより、周囲に一様に印加される磁界の成分が除去され、導電線に流れる電流に応じた信号を出力することを特徴とする。

本発明によれば、導電線の周囲に磁路を形成する磁性体と、磁性体により形成される磁路に挿入され、前記磁路に流れる磁束に応じた信号を出力する第１の磁界検出手段と、第１の磁界検出手段と導電線を挟んで平行となるように、磁路に挿入され、磁路に流れる磁束に応じた信号を出力する第２の磁界検出手段とを設け、第１の磁界検出手段及び第２の磁界検出手段を周囲に一様に印加される磁界に対して同じ極性の信号を出力するように配置した構成とし、第１の磁界検出手段の出力から第２の磁界検出手段の出力を減算することにより、それらの一様に印加される外乱磁界の影響を排除でき、外部磁界による計測誤差を低減できる。

〔構成〕
図１は本発明の一実施例の組立図、図２は本発明の一実施例の分解斜視図、図３は本発明の一実施例のブロック構成図を示す。

本実施例の電流センサ１００は、環状をなし、測定孔部１０１に計測対象ケーブル１０２を挿通し、計測対象ケーブル１０２に流れる電流を検出し、検出した電流に応じた信号を出力する。電流センサ１００は、第１のコア１１１、第２のコア１１２、第１のホール素子１１３、第２のホール素子１１４、減算器１１５、プリント配線板１１６、ケース１１７、カバー１１８、入出力ケーブル１１９から構成されている。

第１のコア１１１は、方向性珪素鋼板などの磁性体からなる板材を略コ字状に打ち抜き、複数枚積層したものであり、測定対象ケーブル１０２に流れる電流により発生する周囲の磁界の磁路を形成する。第１のコア１１１は、ケース１１７に端面１２１、１２２が第２のコア１１２の端面１３１、１３２に対向するように収納される。

第２のコア１１２は、方向性珪素鋼板などの磁性体からなる板材を第１のコア１１１と同じ形状に打ち抜き、複数枚積層したものであり、第１のコアとともに測定対象ケーブル１０２に流れる電流により発生する周囲の磁界の磁路を形成する。第２のコア１１２は、ケース１１７に端面１３１、１３２が第１のコア１１１の端面１２１、１２２に対向するように収納される。

第１のコア１１１と第２のコア１１１は、ケース１１７に取り付けられて、互いの端面１２１、１２２と端面１３１、１３２とが対向するように配置される。このとき、端面１２１と端面１３１との間にはギャップＧ１が形成される。また、端面１２２と端面１３２との間にはギャップＧ２が形成される。

第１のホール素子１１３は、ホール効果素子が内蔵された電子デバイスであり、バイアス電圧を印加することにより、周囲の磁界に応じた信号を出力する。第１のホール素子１１３は、第１のコア１１１と第２のコア１１２とにより形成されるギャップＧ１に挿入されるように、プリント配線板１１６に実装される。第１のホール素子１１３は、例えば、矢印Ｙ１方向の磁束に対して正極性の信号を出力し、矢印Ｙ２方向の磁束に対して負極性の信号を出力するようにプリント配線板１１６に接続、配置されている。

第２のホール素子１１４は、ホール効果素子が内蔵された電子デバイスであり、バイアス電圧を印加することにより、周囲の磁界に応じた信号を出力する。第２のホール素子１１４は、第１のコア１１１と第２のコア１１２とにより形成されるギャップＧ２に挿入されるようにプリント配線板１１６に実装される。第２のホール素子１１４は、例えば、矢印Ｙ２方向の磁束に対して正極性の信号を出力し、矢印Ｙ１方向の磁束に対して負極性の信号を出力するようにプリント配線板１１６に接続、配置されている。

このように、第１のホール素子１１３と第２のホール素子１１４とは、同じ方向の磁束に対して違いに相殺するような信号を出力するように配置されている。すなわち、周囲に一様に印加される磁界に対して同じ極性の信号が出力されるように配置されている。例えば、測定孔１０１の中心に対して互いに対称となるように配置されることが好ましい。

図４は、第１のホール素子１１３及び第２のホール素子１１４の配置を説明するための図を示す。

図４に示すように中心点Ｐを中心として点対称に第１のコア１１１及び第２のコア１１２を配置し、そのギャップに第１のホール素子１１３、及び、第２のホール素子１１４を配置する。

第１のホール素子１１３と第２のホール素子１１４とを中心点Ｐを中心に点対称に配置することにより、第１のホール素子１１３と第２のホール素子１１４とに同じ量の磁束が貫通する。これによって、電流センサ１００が地磁気等の均一磁界中に置かれた場合、同じ量の外乱成分が第１のホール素子１１３と第２のホール素子１１４とを通過するので、第１のホール素子１１３と第２のホール素子１１４との差分を取ることによって外乱成分を除去することが可能となる。

減算器１１５は、プリント配線板１１６に実装され、第１のホール素子１１３の出力信号及び第２のホール素子１１４の出力信号が供給される。減算器１１５は、第１のホール素子１１３の出力信号から第２のホール素子１１４の出力信号を減算した信号を出力する。

プリント配線板１１６は、第１のホール素子１１３、及び、第２のホール素子１１４、並びに、減算器１１５、入出力ケーブル１１９が相互に接続され、かつ、測定孔１０１を避けるような形状に形成されている。また、プリント配線板１１６には、入出力ケーブル１１９が半田付けされる。

ケース１１７には、その底面に、第１のホール素子１１３、第２のホール素子１１４、減算器１１５が実装され、かつ、入出力ケーブル１１９が半田付けされたプリント配線板１１６が装着される。第１のコア１１１、及び、第２のコア１１２は、プリント配線板１１６の上部に第１のホール素子１１３及び第２のホール素子１１４を挟むように搭載される。

ケース１１７は、開口面がカバー１１８によって閉蓋される。これにより、第１のホール素子１１３、第２のホール素子１１４、減算器１１５が実装され、かつ、入出力ケーブル１１９が半田付けされたプリント配線板１１６、及び、第１のコア１１１、並びに、第２のコア１１２がケース１１７及びカバー１１８によって形成される空間に収納される。

このとき、第１のコア１１１及び第２のコア１１２によりギャップＧ１、Ｇ２を介して囲まれる測定孔１０１は、外部に開放されるようにケース１１７及びカバー１１８が成形されている。

入出力ケーブル１１９は、一端がプリント配線板１１６に半田付けされており、他端がケース１１７とカバー１１８との接合部から外部に延出されている。入出力ケーブル１１９は、第１のホール素子１１３及び第２のホール素子１１４に外部電源１０３からバイアス電圧を印加するとともに、減算器１１５の出力信号を外部に出力する。

〔動作〕
図４は本発明の一実施例の動作説明図、図５は本発明の一実施例の動作波形図を示す。

図４に示すように測定対象ケーブル１０２に矢印Ｚ２方向に電流が流れると、第１のコア１１１及び第２のコア１１２に磁束Ｍ１が発生する。このとき、矢印Ｙ１方向に一様に外部磁界Ｍ２が存在するものとする。

ここで、例えば、第１のホール素子１１３の出力電圧をＶ１は、ホール素子の電流−電圧変換係数をｋ、検出電流をＩ、コアに誘導される外乱磁界によるノイズ成分をＮとすると、
Ｖ１＝ｋ＊Ｉ−Ｎ ・・・（１）
で表せる。この第１のホール素子１１３の出力電圧Ｖ１は、例えば、図５に破線で示すように表せる。

また、同様に、第２のホール素子１１４の出力電圧をＶ２は、
Ｖ２＝−ｋ＊Ｉ−Ｎ ・・・（２）
で表せる。この第２のホール素子１１４の出力電圧Ｖ２は、例えば、図５に一点鎖線で示すように表せる。

したがって、減算器１１５の出力信号Ｖoutは、
Ｖout＝Ｖ１−Ｖ２＝（ｋ＊Ｉ−Ｎ）−（−ｋ＊Ｉ−Ｎ）＝２＊ｋ＊Ｉ ・・・（３）
で表せる。このとき、減算器１１５の出力信号Ｖoutは、図５に実線で示すように表せる。減算器１１５の出力信号Ｖoutは、式（３）、図５に示すように外部磁界によるノイズ成分Ｎが除去されていることがわかる。

このように、本実施例によれば、外乱磁界があっても外乱磁界によるノイズ成分Ｎが除去された信号を出力することができ、よって、測定誤差を低減できる。

したがって、例えば、二次電池から負荷に接続されたケーブルに流れる電流を測定したときに、電池の充放電電流を外乱磁界によるノイズなく、正確に検出でき、よって、電池の残量を正確に検出することが可能となる。

また、本実施例によれば、コアが第１のコア１１１及び第２のコア１１２に２分割されているため、ギャップＧ１及びＧ２の幅で磁気抵抗を調整することができ、大電流の計測が可能となる。また、本実施例によれば、２つの第１のホール素子１１３及び第２のホール素子１１４が実装されるため、第１のホール素子１１３の出力と第２のホール素子１１４の出力とを比較することによって、ホール素子の故障を検知することが可能である。

なお、本実施例では、第１のコア１１１及び第２のコア１１２を矩形状となるように成形したが、第１のコアと第２のコアとを円環状となるように成形してもよい。また、第１のホール素子１１３と第２のホール素子１１４とは測定対象ケーブル１０２を挟んで、互いに平行となるように配置されていればよい。

また、本実施例では、コアを２分割したが、コアは２分割に限定されるものではなく、更に、２以上に多分割するようにしてもよい、これによって、更に大電流の測定が可能となる。

〔第１変形例〕
図６は本発明の一実施例の第１変形例の構成図を示す。同図中、図２と同一構成部分には同一符号を付し、その説明は省略する。

本変形例の電流センサ２００は、電流センサ１００とは、第１のコア２１１及び第２のコア２２２の形状が異なるとともに、第１のホール素子１１３及び第２のホール素子１１４、第１のギャップＧ21及び第２のギャップＧ22の配置が異なる。

本変形例の第１のコア２１１及び第２のコア２１２は、略Ｌ字状の同じ形状に成形されており、第１のコア２１１の端面２２１が第２のコア２１２の端面２３１に対向し、第１のコア２１１の端面２２２が第２のコア２１２の端面２３２に対向するように配置されている。第１のギャップＧ21は端面２２１と端面２３１との間に形成され、第２のギャップＧ22は端面２３２と端面２２２との間に形成される。

第１のホール素子１１３は第１のギャップＧ21に挿入され、第２のホール素子１１４は第２のギャップＧ22に挿入されるようにプリント配線板１１６に実装される。

〔第２変形例〕
図７は本発明の一実施例の第２変形例の構成図を示す。同図中、図２と同一構成部分には同一符号を付し、その説明は省略する。

本変形例の電流センサ３００は、電流センサ１００とは、第１のコア３１１及び第２のコア３１２の形状が異なるとともに、第１のホール素子１１３及び第２のホール素子１１４、第１のギャップＧ31及び第２のギャップＧ32の配置が異なる。

本変形例の第１のコア３１１は略コ字状に形成され、第２のコア３１２は略直線状に形成されている。第１のコア３１１の端面３２１、３２２は、第２のコア３１２の端面３３１の両端部に対向するように配置される。第１のギャップＧ31は端面３２１と端面３３１との間に形成され、第２のギャップＧ32は端面３２２と端面３３１との間に形成される。

第１のホール素子１１３は第１のギャップＧ31に挿入され、第２のホール素子１１４は第２のギャップＧ22に挿入されるようにプリント配線板１１６に実装される。

〔第３変形例〕
図８は本発明の一実施例の第３変形例の構成図を示す。同図中、図２と同一構成部分には同一符号を付し、その説明は省略する。

本変形例の電流センサ４００は、電流センサ１００とは、第１のコア４１１及び第２のコア４２２の形状が異なる。

本変形例の第１のコア４１１及び第２のコア４１２は略半円状に形成され、共に同一形状に形成されている。第１のコア４１１の端面４２１は、第２のコア３１２の端面４３１に対向するように配置され、第１のコア４１１の端面４２２は、第２のコア３１２の端面４３２に対向するように配置される。第１のギャップＧ41は端面４２１と端面４３１との間に形成され、第２のギャップＧ42は端面４２２と端面４３２との間に形成される。第１のコア４１１と第２のコア４１２とは第１のギャップＧ41及び第２のギャップＧ42を介して略円環状に配置される。

第１のホール素子１１３は第１のギャップＧ41に挿入され、第２のホール素子１１４は第２のギャップＧ42に挿入されるようにプリント配線板１１６に実装される。

なお、上記実施例、及び、変形例では、プリント配線板１１６上に減算器１１５を実装したが、第１のホール素子１１３及び第２のホール素子１１４の出力信号をそのまま出力し、外部回路で第１のホール素子１１３の出力信号から第２のホール素子１１４の出力信号を減算するようにしてもよい。このとき、外部回路としてマイコンなどにして、第１のホール素子１１３及び第２のホール素子１１４の出力信号をディジタルデータに変換して、ディジタル処理によって減算するようにしてもよい。

なお、本実施例におけるコアの形状は、略コ字状、あるいは、略Ｌ字状とされているため、プレス時の配置自由度が高く、材料に利用効率が高い。

図９はコアのプレス時の配置を説明するための図を示す。図９（Ａ）は従来の非分割コア、図９（Ｂ）はコ字状２分割コア、図９（Ｃ）はＬ字状２分割コア、図９（Ｄ）はコ字状コアと直線状コアとを組み合わせた構成、図９（Ｅ）は半円弧状２分割コアのプレス字の配置を示す図である。

従来の非分割コアでは、図９（Ａ）に示すようにフープ材５１１からコア部材５１２が打ち抜かれるため、例えば、コア部材５１２の中央部分の材料が無駄となるのに対し、例えば、第１のコア１１１及び第２のコア１１２の形状を図２に示すようなコ字状とすることにより、図９（Ｂ）に示すように第１のコア１１１及び第２のコア１１２を構成するコア部材を互いに密着して配置できるため、フープ材５１１の無駄を低減させることができる。

また、図６に示すように第１のコア２１１及び第２のコア２１２の形状をＬ字状とすることにより、図９（Ｃ）に示すように第１のコア２１１及び第２のコア２１２を構成するコア部材を互いに密着して配置できるため、フープ材５１１の無駄を低減させることができる。

さらに、図７に示すように第１のコア３１１をコ字状とし、第２のコア３１２を直線状とすることにより、図９（Ｄ）に示すように第１のコア３１１及び第２のコア３１２を構成するコア部材を互いに密着して配置できるため、フープ材５１１の無駄を低減させることができる。

また、図８に示すように第１のコア４１１及び第２のコア４１２の形状を略半円弧状とすることにより、図９（Ｅ）に示すように第１のコア４１１及び第２のコア４１２を構成するコア部材を互いに密着して配置できるため、フープ材５１１の無駄を低減させることができる。

このように、第１のコア１１１，２１１，３１１、４１１、及び、第２のコア１１２、２１２、３１２、４１２を略コ字状、Ｌ字状、直線状、あるいは、半円弧状とすることにより、コア部材のフープ材５１１上での配置の自由度を高くすることができ、よって、フープ材５１１の利用効率を向上させることができる。なお、高性能用電流センサでは、コア材として、通常、ニッケル含有量の高いパーマロイを使用している。パーマロイは高価であるので、フープ材５１１の利用効率をあげることによって、製品のコストダウンに寄与する。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変形例が考えられることは言うまでもない。

本発明の一実施例の組立図である。 本発明の一実施例の分解斜視図である。 本発明の一実施例のブロック構成図である。 本発明の一実施例の動作説明図である。 本発明の一実施例の動作波形図である。 本発明の一実施例の第１変形例の構成図である。 本発明の一実施例の第２変形例の構成図である。 本発明の一実施例の第３変形例の構成図である。 コアのプレス時の配置を説明するための図である。 従来の電流センサの一例の構成図である。

符号の説明

１００、２００、３００、４００ 電流センサ
１０１ 測定孔、１０２ 測定対象ケーブル、１０３ 外部電源
１１１、２１１、３１１、４１１ 第１のコア
１１２、２１２、３１２、４１２ 第２のコア
１１３ 第１のホール素子
１１４ 第２のホール素子、１１５ 減算器、１１６ プリント配線板
１１７ ケース、１１８ カバー、１１９ 入出力ケーブル
５１１ フープ材
Ｇ１、Ｇ21、Ｇ31、Ｇ41 第１のギャップ、Ｇ２、Ｇ22、Ｇ32、Ｇ42 第２のギャップ

Claims (8)

1. 導電線の周囲に発生する磁界に応じて該導電線に流れる電流を検出する電流センサにおいて、
   前記導電線の周囲に磁路を形成する磁性体と、
   前記磁性体により形成される磁路に挿入され、前記磁路に流れる磁束に応じた信号を出力する第１の磁界検出手段と、
   前記第１の磁界検出手段と前記導電線を挟んで平行となるように、前記磁路に挿入され、前記磁路に流れる磁束に応じた信号を出力する第２の磁界検出手段とを有し、
   前記第１の磁界検出手段及び前記第２の磁界検出手段は、周囲に一様に印加される磁界に対して同じ極性の信号を出力するように配置されていることを特徴とする電流センサ。
2. 前記第１の磁界検出手段と前記第２の磁界検出手段とは、前記磁性体により形成される磁路の中心に対して対称に配置されることを特徴とする請求項１記載の電流センサ。
3. 前記磁性体は、前記磁路が矩形状となるように成形されていることを特徴とする請求項１記載の電流センサ。
4. 前記磁性体は、前記磁路が円環状となるように成形されていることを特徴とする請求項１記載の電流センサ。
5. 前記磁性体は、第１のコア及び第２のコアから構成され、
   前記第１のコアと前記第２のコアとを同一形状としたことを特徴とする請求項１記載の電流センサ。
6. 前記第１の磁界検出手段及び前記第２の磁界検出手段は、ホール効果素子から構成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項記載の電流センサ。
7. 前記第１の磁界検出手段の出力から前記第２の磁界検出手段の出力を減算する減算手段とを有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項記載の電流センサ。
8. 導電線の周囲に発生する磁界に応じて該導電線に流れる電流を検出する電流検出方法において、
   前記導電線の周囲に磁性体を配置し、周囲に一様に印加される磁界に対して同じ極性の信号が出力されるように前記磁性体に第１の磁界検出手段及び第２の磁界検出手段を配置し、
   前記第１の磁界検出手段の出力から前記第２の磁界検出手段の出力を減算することにより、周囲に一様に印加される磁界の成分が除去され、前記導電線に流れる電流に応じた信号を出力することを特徴とする電流検出方法。

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