JP2008224260A - 電流検出器 - Google Patents

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Naota Kamiyama
直太 神山
Masakazu Kobayashi
正和 小林
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Abstract

【課題】より安価な磁性材料のコアを使用しつつ、外部磁界によるノイズ耐性に優れた電流検出器を提供する。
【解決手段】電流検出器100は、角形環状のフェライトコア104を採用している。フェライトコア104には、その1つの長辺部104aにコアギャップ104cとエアギャップ108とが互いに近接した位置に形成されており、コアギャップ104cにホール素子116が配置される。フェライトコア104によって形成される磁路の中では、コアギャップ104cの近傍の領域での磁気抵抗が他の領域よりも大きいため、外部磁界に晒された場合でもコアギャップ104cには磁束が通りにくい。
【選択図】図1

Description

本発明は、電流の測定や検出に用いられる磁気比例方式の電流検出器に関する。
この種の電流検出器は、被検出電流によって発生する磁界をコアで収束し、コアのギャップ間に配置した感磁素子(例えばホール素子)で磁束を電圧に変換して出力するものである。コアとして通常使用されているものは、トロイダルタイプのギャップ付きコアか(例えば、特許文献1参照)、もしくは小型の場合、複数枚のシートコアを積層したタイプのコアである(例えば、特許文献2参照)。
トロイダルタイプのコアは、磁性材料の方向性珪素鋼板をその磁化容易方向に沿って切断して帯板状に加工しておき、これを巻き取ってトロイダル状に成形した後、その一部を径方向に切断することでコアギャップを形成したものである。また積層タイプのコアは、一般にパーマロイ等の磁性材料を枚葉のシートコアに打ち抜き、これらを積層して1つのコアにしたものである。
特開2003−17347号公報(図1) 特開平9−281152号公報(図1)
上述したトロイダルタイプのコアに用いられる方向性珪素鋼板や、積層タイプのコアに用いられるパーマロイは、いずれも優れた磁気特性(透磁率、飽和磁束密度)を有した磁性材料であり、電流検出用のコアとして好適である。その反面、これら方向性珪素鋼板やパーマロイは比較的高価な材料であり、電流検出器の製造にかかるコストを考慮すると、コアの材料として使用できる大きさや数量は限られている。
しかしながら、単純にコアの材料をフェライト等の安価なものに置き換えただけでは、方向性珪素鋼板やパーマロイ製のコアと比較して磁気特性に劣るため、外部磁界(ノイズ)の影響を受けやすくなるという問題が生じる。外部磁界の影響によってホール素子の電圧信号が変動すると、もはや被検出電流の値を正確に検出できなくなるため、電流検出器としては致命的な欠陥となってしまう。
そこで本発明は、より安価な磁性材料を採用しつつ、外部磁界の影響を排除することができる技術の提供を課題としたものである。
先ず本発明の電流検出器は、より安価な磁性材料であるフェライト製のコアを採用する。フェライトコアは、被検出電流の導通により発生する磁界の周回方向に沿って環状の磁路を形成するとともに、この磁路の途中にギャップを有する。このギャップ間には、被検出電流の導通に伴いギャップ間に生じる磁界を電圧信号に変換する感磁素子が配置されている。そして本発明は、被検出電流の導通により発生した磁界とは別の外部磁界にフェライトコアが暴露された場合であっても、少なくともギャップ間を外部磁界が通過するのを抑制する手段を備えることで上記の課題を解決する。
本発明の電流検出器によれば、たとえフェライトコアが外部磁界に晒されることがあったとしても、その影響が感磁素子の出力電圧にまで及ぶことはない。このため感磁素子は、被検出電流によって生じた磁界を正確に電圧信号に変換して出力することができ、その正確な検出動作を可能とする。
また本発明は、より具体的な態様として以下の3つを提供する。
第1の発明は、上記と同じくフェライト製のコアを採用した電流検出器である。その上で第1の発明に係るフェライトコアには、そのギャップに近接した位置に抵抗増大部が形成されており、この抵抗増大部は、フェライトコアにより形成される磁路の中でギャップ近傍の領域の磁気抵抗を相対的に増大させるものである。
第1発明の電流検出器によれば、たとえフェライトコアが外部磁界に晒されたとしても、磁路の中でギャップ近傍の領域の磁気抵抗が相対的に大きいため、外部磁界はその他の磁気抵抗の低い領域に収束される。これにより、感磁素子の電圧信号には外部磁界がノイズとして介入しなくなるため、被検出電流を正確に検出することが可能となる。
第2の発明もまた、同じくフェライト製のコアを採用した電流検出器である。その上で第2の発明は、フェライトコアの少なくともギャップを除く外面を覆う位置に設けられた介入防止部材を有する。この介入防止部材は、被検出電流の導通により発生した磁界とは別の外部磁界がフェライトコアの磁路内に介入するのを防止する機能を有する。
通常、電流検出用のコアは被検出電流(導体)の周囲に配置されており、この周囲に発生した磁界(磁束)を磁路内にて収束させるべく環状に形成されている。一方で、外部磁界は被検出電流とは別の要因で発生するものであり、このような外部磁界はフェライトコアの外側から到来するものである。そこで第2の発明では、フェライトコアのギャップ領域を除く外面を介入防止部材で覆い、外側から到来する外部磁界の進入を遮断している。
なお介入防止部材には、フェライトよりも透磁率が高く、磁気抵抗の小さい磁性材料が適する。この場合、外部磁界はフェライトコアよりも介入防止部材にて収束され、その内部を通過することから、フェライトコアには被検出電流によって生じた磁界だけが良好に収束される。またフェライトコアは、そのギャップ領域の外側が介入防止部材に覆われていないため、介入防止部材からギャップ間に外部磁界が漏れ出てしまうことはない。
第3の発明は、同じくフェライトコアを有する電流検出器である。そして第3の発明は、第1の発明でいう抵抗増大部と、第2の発明でいう介入防止部材とを兼ね備えた構成である。この場合、介入防止部材はフェライトコアの少なくともギャップ及び抵抗増大部の両方を除く外面を覆う位置に設けられる。
第3の発明によれば、介入防止部材による外部磁界の遮断機能と、抵抗増大部によるギャップ近傍での磁気抵抗の増大機能とを合わせ持つことにより、より確実に外部磁界による影響を排除して正確な電流検出を行うことが可能となる。
上述した第1又は第3の発明において、フェライトコアは磁界の周回方向に沿って角形環状をなしており、そのギャップ及び抵抗増大部が同一辺上に形成されている態様であってもよい。
この場合、被検出電流の周囲には、フェライトコアによって角形環状の磁路が形成されており、その中で特にギャップ及び抵抗増大部が形成された1つの辺部における磁気抵抗が他の辺部よりも大きくなる。このため、外部磁界がフェライトコアに進入した場合であっても、外部磁界(磁束)は他の辺部に収束されて通過するため、感磁素子の電圧信号に変動が生じることはない。
本発明によれば、より安価な材料を用いて電流検出器を製造することができ、その分、製造にかかるコストを大幅に低下することができる。
また、フェライトコアとは別に介入防止部材を用いた場合であっても、コアの材料を安価に抑えているため、その範囲内で介入防止部材の材料費を賄うことができ、余計なコスト上昇を抑えることができる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
〔第1実施形態〕
図1は、第1実施形態の電流検出器100を構成要素に分解して示した斜視図である。電流検出器100は樹脂ケース102を備えており、この樹脂ケース102にはフェライトコア104とともに中間コア106が収容されるものとなっている。フェライトコア104はある程度の厚みを有した角形環状(C字形状)をなしており、この例では略長方形の1つの長辺部104aに切欠部104bが形成されている。また、中間コア106は直方体のブロック形状をなしており、その外形寸法はフェライトコア104の厚みや長辺部104aの幅に概ね合致している。これらフェライトコア104及び中間コア106は、例えば亜鉄酸塩の焼結合金から成形されており、その材料は一般的にMn−Znフェライト、Ni−Znフェライトである。
樹脂ケース102内にフェライトコア104及び中間コア106がともに収容されると、中間コア106がフェライトコア104の切欠部104b内の略中間に位置付けられる。これにより、切欠部104b内にて中間コア106とフェライトコア104の一端との間にコアギャップ104cが形成されるとともに、中間コア106を挟んでその反対側に別のエアギャップ108(抵抗増大部)が形成されることになる。
樹脂ケース102は主に、外周壁102aと内周壁102b、そして隔壁102cから構成されている。外周壁102aは、フェライトコア104の外周面よりも僅かに大きい角筒状をなしており、また内周壁102bはフェライトコア104の内周面よりも僅かに小さい角筒状をなしている。図1に示される状態で、隔壁102cは樹脂ケース102の底板となり、外周壁102aと内周壁102bとの間を塞いでいる。樹脂ケース102は、隔壁102cと反対側の上面が開口しており、この開口を通じてフェライトコア104は外周壁102aと内周壁102bとの間に填り込むようにして収容される。
また樹脂ケース102内には、中間コア106が収容される位置に対応して4つのガイドリブ110,112が形成されている。これらガイドリブ110,112は、外周壁102a及び内周壁102bの各壁面から突出するようにして形成されている。中間コア106が樹脂ケース102内に収容されると、その四隅がガイドリブ110,112に沿って案内され、樹脂ケース102内での位置決めがなされるものとなっている。
なお、隔壁102cは内周壁102bの内側には形成されておらず、それゆえ樹脂ケース102の中央には貫通穴114が形成されている。電流検出器100の使用時には、被検出電流を導通させる導体(電気配線等)が貫通穴114を通じて縦方向に設置される。
樹脂ケース102には、フェライトコア104及び中間コア106とともにホール素子116もまた収容される。ホール素子116は回路基板118に実装されており、この回路基板118はフェライトコア104及び中間コア106の上面に重ね合わせられるようにして収容される。このときホール素子116は、上述したコアギャップ104c間に挿入される。
上記のように樹脂ケース102内にフェライトコア104及び中間コア106を収容し、さらにホール素子116を実装した回路基板118を収容した状態で、樹脂ケース102内が図示しないポッティング樹脂により封止されると、電流検出器100が完成品となる。なお、回路基板118のリード端子はポッティング樹脂に埋没しておらず、このため外部からの配線接続が可能となっている。
図2は、フェライトコア104内に形成される磁路を模式的に示した図である。なお図2中(A)は、第1実施形態で用いたフェライトコア104及び中間コア106の断面(図1中のII−II断面)を示している。また図2中(B)は、比較例として挙げたフェライトコア504の断面を示している。
通常、被検出電流によって発生する磁界は、フェライトコア104内に形成される角形環状の磁路を通じて周回する。ホール素子116は、その感磁部(感磁面)を磁界の周回方向に正対させている。ところが、フェライトコア104が外部磁界(図中参照符号N)に晒されると、外部磁界によってフェライトコア104の磁路内にノイズが発生することになる。このとき第1実施形態で用いたフェライトコア104は、外部磁界によるノイズの影響を以下の手法で排除している。
図2中(A):第1実施形態で用いたフェライトコア104は、角形環状をなす同じ1つの長辺部104a内にコアギャップ104cとエアギャップ108とが互いに近接して形成されている。一方、長辺部104aと対をなすもう1つの長辺部104dにはギャップに相当する部分がない。この場合、磁路の中ではコアギャップ104c近傍の領域での磁気抵抗が相対的に大きく、その他の領域での磁気抵抗は相対的に小さくなっている。このため、例えばフェライトコア104に対し、ホール素子116の感磁部(感磁面)に正対する方向に外部磁界が到来すると、図中に矢印で示されているように、磁路の中では相対的に磁気抵抗の大きいコアギャップ104cの近傍の領域には磁束が通りにくく、その他の領域に磁束が通りやすくなる。
図2中(B):これに対して比較例として用いたフェライトコア504では、対をなす2つの長辺部504a,504dの両方にそれぞれギャップ504b,504cが形成されている。この場合、磁路の中ではいずれの長辺部504a,504dも磁気抵抗が同程度であるため、同じく外部磁界が到来すると、両方の長辺部504a,504dを磁束が通ることになる。
第1実施形態と比較例とを対比すると、以下のことが明らかである。
(1)比較例では、長辺部504a,504dの両方とも外部磁界の影響によって磁束が通りやすいため、ホール素子116にノイズの影響が介入してしまい、もはや正確な電圧信号を出力させることができなくなる。
(2)これに対し第1実施形態では、たとえフェライトコア104が外部磁界に晒されたとしても、ホール素子116を含むコアギャップ104cの領域には磁束が通りにくい。このため、ホール素子116にノイズの影響を介入させることなく、被検出電流により発生する磁界に応じて正確な電圧信号を出力させることができる。
図3は、第1実施形態のフェライトコア104に中間コア106をもう1つ追加した実施形態を示す断面図である。この場合、フェライトコア104の切欠部104b内には、ホール素子116を挟んでその両側(図3でみて左右)に中間コア106が1つずつ配置されている。したがって、コアギャップ104cは2つの中間コア106の間に形成されており、エアギャップ108は2つの中間コア106にそれぞれ対応して2つ形成されている。
上記の追加実施形態においても、2つのエアギャップ108がコアギャップ104cに近接した位置に形成されているため、磁路の中ではコアギャップ104cの近傍の領域での磁気抵抗が他の領域よりも大きい。したがって、第1実施形態と同様に外部磁界による磁束がホール素子116を含むコアギャップ104cの領域を通らないため、ホール素子116にノイズの影響を介入させることなく正確な電圧信号を出力させることができる。
〔第2実施形態〕
図4は、第2実施形態の電流検出器200を構成要素に分解して示した斜視図である。第2実施形態の電流検出器200もまた樹脂ケース202を備えており、この樹脂ケース202にはフェライトコア204とともにホール素子116が収容されるものとなっている。第2実施形態のフェライトコア204もまた、ある程度の厚みを有した角形環状(C字形状)をなしており、この例では略長方形の1つの長辺部204aにコアギャップ204cが形成されている。なおフェライトコア204の材料は、例えば第1実施形態と同様である。
第2実施形態の電流検出器200は、フェライトコア204の他にコ字形状のシールド部材(介入防止部材)220を備えている。このシールド部材220は、フェライトコア204とともに樹脂ケース202内に収容され、この状態で、例えばフェライトコア204の長辺部204aを除く他の長辺部204d及び2つの短辺部204eの外周面を覆うようにして配置される。なおシールド部材220には、その材料として例えば珪素鋼板が用いられている。
第2実施形態の樹脂ケース202についても、主に外周壁202aと内周壁202b、そして隔壁202cから構成されている。この場合、外周壁202aはフェライトコア204の外側にシールド部材220を配置したときの外形寸法よりも僅かに大きい角筒状をなしている。また内周壁202bは、フェライトコア204の内周面よりも僅かに小さい角筒状をなしている。第2実施形態においても、図4に示される状態で隔壁202cは樹脂ケース202の底板となり、外周壁202aと内周壁202bとの間を塞いでいる。樹脂ケース202は、隔壁202cと反対側の上面が開口しており、この開口を通じてフェライトコア204及びシールド部材220が外周壁202aと内周壁202bとの間に填り込むようにして収容される。
また第2実施形態においても同様に、隔壁202cは内周壁202bの内側には形成されておらず、それゆえ樹脂ケース202の中央には貫通穴214が形成されている。電流検出器200の使用時には、被検出電流を導通させる導体(電気配線等)が貫通穴214を通じて縦方向に設置される。なお、ホール素子116及び回路基板118は第1実施形態と共通の構成であり、ここでは重複した説明を省略する。また樹脂ケース202内のポッティング樹脂による封止についても第1実施形態と同様である。
図5は、フェライトコア204及びシールド部材220の断面図(図4中V−V断面)である。第2実施形態においても通常、被検出電流によって発生した磁界は、フェライトコア204によって形成される角形環状の磁路を通じて周回する。このときホール素子116はコアギャップ204c間にあって、その感磁部(感磁面)を磁路の方向に対向させた状態にある。このとき、例えばホール素子116の感磁部に正対する方向からフェライトコア204に対して外部磁界(図中参照符号N)が到来したとすると、第2実施形態では以下の手法でノイズの影響を排除することができる。
上記のようにシールド部材220には珪素鋼板が使用されているため、シールド部材220の方がフェライトコア204よりも透磁率が高い。このため第2実施形態では、フェライトコア204に向けて外部磁界(図中参照符号N)が到来した場合であっても、シールド部材220だけに磁束が通り、フェライトコア204には外部磁界が到達しない。したがって、フェライトコア204内の磁路には外部磁界が進入してこないことから、ホール素子116にノイズの影響を介入させることなく、被検出電流により発生する磁界に応じた正確な電圧信号を出力させることができる。
次に図6は、第2実施形態を変形した実施形態を示す断面図である。この場合、フェライトコア204の外周面には、一回り大きなC字形状のシールド部材222が配置されている。このシールド部材222は、コアギャップ204cの領域を除いてフェライトコア204の外周面を全て覆うだけの大きさと形状を有している。
第2実施形態を変形した実施形態では、例えばホール素子116の感磁部(感磁面)に対してある程度の角度をもった方向から外部磁界が到来した場合であっても、コアギャップ204cを除くフェライトコア204の外周面が全てシールド部材222で覆われているため、やはりシールド部材222だけに磁束が通り、フェライトコア204には外部磁界が到達しない。したがって、フェライトコア204内の磁路には外部磁界が進入してこないことから、ホール素子116にノイズの影響を介入させることなく、被検出電流により発生する磁界に応じた正確な電圧信号を出力させることができる。
図7は、さらに第2実施形態を変形した別例を示す斜視図である。この別例として示されるシールド部材224は、例えば1つの長辺部204aを除くフェライトコア204の外周面に加え、図7中でみてその上面及び下面をも覆うことができる。
具体的には、シールド部材224は一対の鏡板224bを有しており、これら鏡板224bは、フェライトコア204の他の長辺部204d及び一対の短辺部204eの上面及び下面を覆うことができる大きさと形状を有している。鏡板224bは個々にコ字形状をなしており、その内側には矩形の切欠部224cが形成されている。
またシールド部材224は側板224aを有しており、この側板224aは一対の鏡板224bの周縁部に沿った3面体形状をなしている。そして、これら鏡板224b及び側板224aの内側に収納部224dが形成されており、この収納部224d内にフェライトコア204が収納された状態で樹脂ケース202に収容されるものとなっている。なお、このとき内周壁202bは切欠部224cの内側に位置付けられるので、被検出電流を導通させる導体がシールド部材224に干渉することはない。
上記の別例によれば、フェライトコア204の外周面に加えて上面及び下面もがシールド部材224に覆われているため、ホール素子116の感磁部(感磁面)に対してあらゆる角度から外部磁界が到来したとしても、フェライトコア204がシールド部材224によって強固に防護される。このため、フェライトコア204の磁路内に外部磁界を進入させることがなく、ホール素子116から正確な電圧信号を出力させることができる。
〔第3実施形態〕
図8は、第3実施形態の電流検出器300を構成要素に分解して示した斜視図である。第3実施形態の電流検出器300は、第1実施形態で用いたフェライトコア104の構成に、第2実施形態で用いたシールド部材220を追加したものである。したがって、第1,第2実施形態と共通する部材や構成要素については図中に共通の符号を付し、その重複した説明を省略するものとする。
第3実施形態の電流検出器300によれば、第1実施形態において述べた効果と、第2実施形態において述べた効果とを合わせて得ることができる。
本発明は上述した各実施形態に制約されることなく、種々に変形して実施可能である。例えば、フェライトコアは四角形環状のものだけでなく、その他の多角形環状のものであってもよいし、あるいは円環状のものであってもよい。
第2,第3実施形態で挙げたシールド部材は珪素鋼板に限らず、その他の磁性材料(フェライトよりも透磁率が大きいもの)であってもよい。
また、各実施形態で挙げた各種部材の具体的な形状や大きさ、厚み等の仕様は、実際に対象とする被検出電流の特性に合わせて適宜に変更することができる。
その他、各実施形態において図示とともに挙げた構造はあくまで好ましい一例であり、基本的な構造に各種の要素を付加し、あるいは一部を置換しても本発明を好適に実施可能であることはいうまでもない。
第1実施形態の電流検出器を構成要素に分解して示した斜視図である。 図1中、II−II線に沿う縦断面図である。 第1実施形態の追加実施形態を示す断面図である。 第2実施形態の電流検出器を構成要素に分解して示した斜視図である。 図4中、V−V線に沿うフェライトコア及びシールド部材の断面図である。 第2実施形態を変形した実施形態を示す断面図である。 さらに第2実施形態を変形した別例を示す斜視図である。 第3実施形態の電流検出器を構成要素に分解して示した斜視図である。
符号の説明
100,200,300 電流検出器
102,202 樹脂ケース
104 フェライトコア
104a 長辺部
104b 切欠部
104c コアギャップ
106 中間コア
108 エアギャップ
116 ホール素子
220,222,224 シールド部材

Claims (5)

  1. 被検出電流の導通により発生する磁界の周回方向に沿って環状の磁路を形成するとともに、この磁路の途中にギャップを有するフェライトコアと、
    前記フェライトコアのギャップ間に配置され、被検出電流の導通に伴いギャップ間に生じる磁界を電圧信号に変換する感磁素子と、
    被検出電流の導通により発生した磁界とは別の外部磁界に前記フェライトコアが暴露された場合、少なくとも前記ギャップ間を外部磁界が通過するのを抑制する抑制手段と
    を備えたことを特徴とする電流検出器。
  2. 被検出電流の導通により発生する磁界の周回方向に沿って環状の磁路を形成するとともに、この磁路の途中にギャップを有するフェライトコアと、
    前記フェライトコアのギャップ間に配置され、被検出電流の導通に伴いギャップ間に生じる磁界を電圧信号に変換する感磁素子と、
    前記フェライトコアのギャップに近接した位置に形成され、前記フェライトコアにより形成される磁路の中でギャップ近傍の領域の磁気抵抗を相対的に増大させる抵抗増大部と
    を備えたことを特徴とする電流検出器。
  3. 被検出電流の導通により発生する磁界の周回方向に沿って環状の磁路を形成するとともに、この磁路の途中にギャップを有するフェライトコアと、
    前記フェライトコアのギャップ間に配置され、被検出電流の導通に伴いギャップ間に生じる磁界を電圧信号に変換する感磁素子と、
    前記フェライトコアの少なくともギャップを除く外面を覆う位置に設けられ、被検出電流の導通により発生した磁界とは別の外部磁界が前記フェライトコアの磁路内に介入するのを防止する介入防止部材と
    を備えたことを特徴とする電流検出器。
  4. 被検出電流の導通により発生する磁界の周回方向に沿って環状の磁路を形成するとともに、この磁路の途中にギャップを有するフェライトコアと、
    前記フェライトコアのギャップ間に配置され、被検出電流の導通に伴いギャップ間に生じる磁界を電圧信号に変換する感磁素子と、
    前記フェライトコアのギャップに近接した位置に形成され、前記フェライトコアにより形成される磁路の中でギャップ近傍の領域の磁気抵抗を相対的に増大させる抵抗増大部と、
    前記フェライトコアの少なくともギャップ及び前記抵抗増大部の両方を除く外面を覆う位置に設けられ、被検出電流の導通により発生した磁界とは別の外部磁界が前記フェライトコアの磁路内に介入するのを防止する介入防止部材と
    を備えたことを特徴とする電流検出器。
  5. 請求項2又は4に記載の電流検出器において、
    前記フェライトコアは磁界の周回方向に沿って角形環状をなしており、そのギャップ及び前記抵抗増大部が同一辺上に形成されていることを特徴とする電流検出器。
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