JP2008190920A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】磁性体コアに生じる磁束のうち分割された一部をホールＩＣ部で検出することで、電気接続ボックス内で占めるスペースを可及的に小さくすることができるとともに、大電流まで検出可能とする電流センサを提供する。
【解決手段】電源線２を囲むリング状の磁性体コア３の一部に形成されたギャップ４には、ホールＩＣ部５と、ホールＩＣ部５の透磁率よりも透磁率の高い高透磁率体６とが配置されている。磁性体コア３に生じる磁束は、ギャップ４においてはホールＩＣ部５よりも高透磁率体６を通過し易いので、ホールＩＣ部５を通過する磁束は少なく、ホールＩＣ部５は磁束の検出を飽和領域で検出することなく定格領域で検出することができる。コア３全体の磁束に対するホールＩＣ部５を通過する磁束の割合が判っていれば、磁性体コア３に全体の磁束を生じさせる大きな電流を精度良く検出することができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、電流検知用センサ、特に電気自動車、ハイブリッド車、電動４ＷＤ車等、駆動に大電流を用いる車両に好適な大電流検知用の電流センサに関する。

従来、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド車、電動４ＷＤ車等においては、エンジンで発電した電気或いはバッテリから供給される電力を用いてモータを駆動することで推進力を得ている。昨今の電気駆動式の車両においては、大電流化が進んでおり、モータ駆動用の電流はピーク時には略１０００Ａにも達する。モータの制御は、この電流の大きさを検出することで行われている。

電流により発生する磁界を測定することにより電流を検出するには、従来からホール素子を用いることが知られているが、ホール素子が良好な線形性を保って直接に計測できる磁界は、８００００［Ａ／ｍ］（≒１０００［Ｏｅ］）程度であり、ホール素子から約５［ｍｍ］の距離の電流線路に２５０［Ａ］程度の電流が流れた場合に発生する磁界に相当する。それ以上の電流が流れた場合には発生する磁界の強さが強すぎるためにホール素子の定格検出範囲を超えた飽和範囲となり、電流の強さを正確に検出することができない。また、ホール素子自身の出力の調整のために後段で増幅する必要も生じている。そこで、現状では、ホール素子の定格検出範囲を超える磁界に相当する電流を検知するためには、リング状の磁性体コアの一部を切り欠いてギャップを形成し、そのギャップ内にホール素子を配置した構造の磁気比例式動作原理に基づいた電流センサが主に使用されている。

磁気比例式動作原理は、測定すべき電流が導体に流れると、その導体の周囲において、電流の向きを右ねじを回すときの進む方向に一致させるときにその右回りの方向の磁界が生じ、その磁界を測定することにより電流の大きさを間接的に測定するものである。導体の周囲にリング状の磁性体コアを配置すると、その磁性体コアの中に磁力線が生じる。リング状の磁性体コアの一部を切り欠いてギャップを形成し、そのギャップ内にホール素子を配置すると、そのコアギャップには被測定電流に比例した磁界が生じ、ホール素子はこの磁界を電圧信号に変換する。このホール素子からの出力電圧を増幅回路にて増幅し、被測定電流に比例した出力電圧を発生する。

このような磁気比例式電電流センサは、高範囲まで電流測定が可能であり、小型軽量であり、交流・直流・パルス電流のいずれも測定が可能であり、更に、低消費電力である、等の特長が挙げられる。

車両に適用される大電流検知用の電流センサとしては、電気接続ボックス内において、電流が流れる電源線（バスバー）に流れる負荷電流を検出する場合に、金属板からなるバスバーの一部を分岐させて、分岐した分流バスバーに流れる電流を小さくし、その小さくされた電流が発生させる磁界を検知することで、全電流を検出する分流バスバー構造を持つ電流センサが提案されている（特許文献１、特許文献２）。

この電流センサは、バスバーに磁性体コアとホール素子とを組み付けて構成されており、バスバーに流れる電流を２つの電流分流路により分流し、分流した一部の電流、すなわち電流分流路に流れる電流をホール素子からの出力により検出し、検出出力とバスバーの幅（断面積）とに基づいて予め知られている電流全体に対する分流の電流の比率から、バスバーに流れる総電流値を算出している。この電流センサによれば、バスバーを流れる電流が大きくても、分流した一部の電流に対してホール素子の線形領域を利用することでホール素子の検出精度を改善し、また、組み立てやレイアウトの自由度についても改善を図っている。

しかしながら、電気駆動式の自動車においては、大出力化・高性能化に伴って、取り扱う電流値が大きくなってきており、そのため大電流時の磁気飽和を回避する必要がある。そうした対策の一つとして磁性体コアを大きくすることが考えられるが、そうした対策では、電流センサ自体が大型化して電気接続ボックス内でスペースを大きく取ってしまう、大電流を流す銅製電流バスバーの幅が電流コアの形状にて制約されバスバーに直接にねじ止めする幅を確保することができない、更に、磁性コアが大きくなると、価格が高価になり、例えば大量に生産されているために価格が低下している電動パワーステアリング用電流センサの流用ができなくなるという問題がある。

光電流センサ及び光磁界センサが被測定電流や被測定磁界を計測するとき、近接する外部導電体が発生させる磁界の影響による測定誤差を低減し、被測定物の電流値や磁界強度を精度良く計測することを図り、ファラデー効果を用いた光磁界センサ及びそれを用いた光電流センサが提案されている（特許文献３）。

軸方向に磁化されたリング状永久磁石を上下からそれぞれ２枚の磁性板で挟み込み、上下の磁性板の間で磁性板の両端部に上下２個ずつ突起状磁性体を設け、それぞれ上下２個の突起状磁性体の間のエアギャップに磁気感応素子を挿入することで、リング状永久磁石からの磁束を概ね突起状磁性体に絞り込み、磁気感応素子を通過する磁束量がリング状永久磁石の回転角度にほぼ比例していることから、磁気感応素子にて検出される信号出力より、リング状永久磁石の回転位置、従って、リング状永久磁石を支持する回転シャフトの回転位置を非接触でセンシングする非接触式回転位置センサが提案されている（特許文献４）。
特開２００２−２６７６９２号公報（段落［０００２］〜［０００４］、図１６、図１７） 特開平０９−９３７７１号公報 特開２０００−２３０９６８号公報 特開２００２−２０６９１３号公報

そこで、電流を分岐させる分岐バスバーの構造に代えて、電流に比例する磁界（磁束）を分けて磁束が通りやすい部分と通りにくい部分とを形成し、通過する磁束が少ない方の磁界の強さを検出することで大きな電流まで検出可能とする点で解決すべき課題がある。

この発明の目的は、電気接続ボックス内で占めるスペースを可及的に小さくすることができるとともに、大電流まで検出可能とする電流センサを提供することである。

上記の課題を解決するため、この発明による電流センサは、電流ケーブルを囲み且つ一部にギャップが形成されたリング状の磁性体コアと、前記ギャップ内に配置されているホールＩＣ部とを備えた磁気式電流センサにおいて、前記ギャップに前記ホールＩＣ部の透磁率よりも高い透磁率を有する高透磁率体を配置したことから成っている。

この電流センサによれば、リング状の磁性体コアの一部に形成されているギャップに、ホールＩＣ部と、ホールＩＣ部の透磁率よりも透磁率の高い高透磁率体とを配置しているので、磁性体コアに生じる磁束は、ギャップにおいては、ホールＩＣ部よりも透磁率が比較的に高い高透磁率体を通過し易く、ホールＩＣ部を通過する磁束は比較的少なくなる。したがって、ホールＩＣ部は磁束の検出を飽和領域で検出することなく定格領域で検出することができる。全体の磁束に対するホールＩＣ部を通過する磁束の割合が判っていれば、磁性体コアに全体の磁束を生じさせる大きな電流を精度良く検出することができる。

この電流センサにおいて、前記ホールＩＣ部と前記高透磁率体とは、前記ギャップ内において前記磁性体コアの径方向の異なる位置に配置することができる。好ましくは、ホールＩＣ部については、径方向外側に配置することができる。

この電流センサにおいて、前記ホールＩＣ部と前記高透磁率体とは、前記ギャップ内において前記磁性体コアの軸方向の異なる位置に配置することができる。

この電流センサにおいて、前記高透磁率体の透磁率を変えることにより、前記電流ケーブルを流れる電流の検出範囲を調整することができる。また前記高透磁率体の断面積を変えることにより、前記電流ケーブルを流れる電流の検出範囲を調整することができる。

この電流センサにおいて、前記ホールＩＣ部は、前記電流ケーブルを流れる電流の程度に応じて前記高透磁率体の透磁率又は断面積を変更することにより、前記電流の大小に関わらず共通化することができる。ホールＩＣ部を共通化することにより、製造・保管すべきホールＩＣの種類を減らして、取り扱いや管理がしやすくなり、また、電流センサの大きさ及び出力レベルが一定の範囲内に納められるので、電流センサのサイズが定型化し、検出信号の取り扱いも簡単になる。

この発明による電流センサは、上記のように構成されているので、磁束が通過する領域や割合を変更するのみで検出電流範囲を変更でき、磁性体コアの大きさを変更することがないので電流センサとしてのサイズが一定し、取り扱いが容易になる。また、測定したい電流範囲に合わせて、高透磁率体の形状や透磁率の違う材質を使用することで、電流検出範囲の調整が可能になる。更に、磁性体コアの共通化、ホールＩＣの共通化、小型で大電流まで計測可能となる。

以下、添付した図面に基づいて、この発明による電流センサの実施例を説明する。図１はこの発明による電流センサの模式図、図２は図１に示す電流センサの磁束の分布状態を示す模式図である。

図１は、電流センサ１の斜視図（ａ）と正面図（ｂ）とを示している。電流が流れる電源線２が筒状の磁性体コア（以下、「コア」と称する）３を同心状に貫通する態様で配置されている。コア３には、その一部に周方向の一部を母線に平行に切り欠いたギャップ（空隙）４が形成されており、ギャップ４内には、コア３の径方向の異なる位置に、ホールＩＣ部５と透磁率が高い高透磁率体６とが配置されている。この例では、ホールＩＣ部５がギャップ４内の径方向外側に配置されており、高透磁率体６がギャップ４内の径方向内側に配置されている。配置関係は、図に示した態様に限らず、内外逆でもよいが、センサ１への電源供給や信号取り出しの観点からすれば、図示の態様が好ましい。高透磁率体６は、例えば、パーマロイ、フェライト、或いはアモルファス合金のような材料から形成される。

図２（ａ）に示すように、電線２に電流が流れる場合、コア３を周方向に巡る磁束が生じる。流れる電流に応じて定まる全磁束Φは、ギャップ４の部分では、一方の壁から他方の壁へ渡るようにして通過する。ギャップ４内に高透磁率体６を配置した場合には、ホールＩＣ部５を通過する磁束Φ５と高透磁率体６を通過する磁束Φ６とに分配される。高透磁率体６は磁性抵抗が小さいため、高透磁率体６を通過する磁束（密度）Φ６は、磁気抵抗が大きいホールＩＣ部５を通過する磁束（密度）Φ５よりも十分多く（高く）なる。

これに対して図２（ｂ）に示すように、ギャップ４内に高透磁率体６を配置せず、ホールＩＣ部５のみを配置した場合には、ホールＩＣ部に大きな磁束Φが流れる。

電流センサ１の起磁力は、Ｎをコイル巻き回数、Ｉを通電時の電流とすると、次の式で表される。
Ｖｍ＝ＮＩ ［式１］
ギャップ４以外での漏れ磁束を無視すると、ギャップ４に置かれたホールＩＣ部５に生じる磁束Φ（ａｉｒ）は、次の式２のように求めることができる。
Φ（ａｉｒ）＝［Ｒ６／（Ｒ６＋Ｒａｉｒ）］＊Φ ［式２］
ここで、Ｒ６は、高透磁率体６のリラクタンス、ＲａｉｒはホールＩＣ部５のリラクタンスであり、実質的に空気のリラクタンスと等しい。Φは全体の磁束であり、式１で表される起磁力及び全リラクタンスＲｍを用いて、次の式３で表される。
Φ＝Ｖｍ／Ｒｍ ［式３］

高透磁率体６として、ギャップ４の断面積の半分の断面積の広さを持ち、且つエアの透磁率に対して１００倍の透磁率を有するパーマロイ等の高透磁率の物質を使用した場合には、リラクタンスは、断面積と透磁率に反比例するので、全体の磁束に対するホールＩＣ部に生じる磁束の割合は、式２から次のようになる。
Φ（ａｉｒ）／Φ＝（Ｒａｉｒ／１００）／（Ｒａｉｒ／１００＋Ｒａｉｒ）
＝１／（１＋１００）≒１／１００
即ち、ホールＩＣ部５に生じる磁束は全体の磁束の１００分の１程度にまで小さくすることができる。換言すれば、ホールＩＣ部５が検出する磁界により、実際には１００倍の大きさの電流まで、飽和領域で検出することなく定格検出領域での検出が可能になる。

磁気抵抗、即ち、リラクタンスを変更するには、高透磁率体６の断面積又は透磁率を変えることによって達成し得る。図３には、高透磁率体６に透磁率の異なる材料を使用することにより、検出電流範囲を変更することができることが模式的に示されている。透磁率の異なる材料としては、材料それ自体が異なってもよく、また同じパーマロイであっても、成分調整による透磁率違いを利用することができる。透磁率の異なる材料を使用することにより、ホールＩＣ部５における磁気抵抗のレベルを変化させることができ、ホールＩＣ部５の磁束（密度）が変化して、電流センサとしての電流検出範囲を変化（調整）させることができる。例えば、図３（ａ）に示す透磁率が空気の１００倍の材料６ａに比べて、図３（ｂ）に示すように透磁率が空気の２００倍の材料６ｂを用いることにより、電流検出範囲を略２倍に広くすることができる。

図４には、高透磁率体６に断面積の異なる材料を使用することにより、検出電流範囲を変更することができることが模式的に示されている。ここでいう断面積は、磁束の流れる方向で見た磁束が貫く面積のことである。高透磁率体６に断面積の異なる材料を使用することにより、ホールＩＣ部５における磁気抵抗のレベルを変化させることができ、ホールＩＣ部５の磁束（密度）が変化して、電流センサとしての電流検出範囲を変化（調整）させることができる。例えば、図４（ａ）に示すようにギャップ部４の断面積の１／４の高透磁率体６ｃに比べて、図４（ｂ）に示すように透磁率が同じでギャップ部４の断面積の１／２の高透磁率体６ｄを用いることにより、電流検出範囲を略２倍に広くすることができる。

図５は、本発明による電流センサの別の実施例を、その要部で示す斜視図である。この電流センサ１０において、ホールＩＣ部１５と高透磁率体１６とは、コア１３のギャップ１４内においてコア１３の軸方向の異なる位置に配置されている。ギャップ１４内を通過する磁束は高透磁率体１６に吸い寄せられ（Φ１６）、ホールＩＣ部１５を通過する磁束Φ１５は少なくなっている。高透磁率体１６の磁束通過断面積（コア軸方向長さ×厚さ）を変更することにより、ホールＩＣ部１５を通過する磁束（密度）を調整し、ホールＩＣ部１５による検出電流範囲を変更することができる。

この発明による電流センサの一実施例の模式図である。 図１に示す電流センサの磁束の分布状態を示す模式図である。 図１に示す電流センサにおいて、透磁率の異なる材料を使用することにより、検出電流範囲を変更することを説明する模式図である。 図１に示す電流センサにおいて、断面積の異なる材料を使用することにより、検出電流範囲を変更することを説明する模式図である。 この発明による電流センサの別の実施例の模式図である。

符号の説明

１，１０ 電流センサ ２ 電源線
３，１３ 磁性体コア ４，１４ ギャップ
５，１５ ホールＩＣ部 ６，１６ 高透磁率体

Claims (6)

1. 電流ケーブルを囲み且つ一部にギャップが形成されたリング状の磁性体コアと、前記ギャップ内に配置されているホールＩＣ部とを備えた磁気式電流センサにおいて、
   前記ギャップに前記ホールＩＣ部の透磁率よりも高い透磁率を有する高透磁率体を配置したことから成る電流センサ。
2. 前記ホールＩＣ部と前記高透磁率体とは、前記ギャップ内において前記磁性体コアの径方向の異なる位置に配置されていることから成る請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記ホールＩＣ部と前記高透磁率体とは、前記ギャップ内において前記磁性体コアの軸方向の異なる位置に配置されていることから成る請求項１に記載の電流センサ。
4. 前記高透磁率体の透磁率を変えることにより、前記電流ケーブルを流れる電流の検出範囲が調整されることから成る請求項１〜３のいずれか１項に記載の電流センサ。
5. 前記高透磁率体の断面積を変えることにより、前記電流ケーブルを流れる電流の検出範囲が調整されることから成る請求項１〜３のいずれか１項に記載の電流センサ。
6. 前記ホールＩＣ部は、前記電流ケーブルを流れる電流の程度に応じて前記高透磁率体の透磁率又は断面積を変更することにより、前記電流の大小に関わらず共通化されていることから成る請求項１〜５のいずれか１項に記載の電流センサ。

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