JP2009175019A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 小型で大電流が検出可能であり、かつ磁気検出素子の設置部の磁束密度を広い範囲で制御可能な設計の自由度が高い電流センサを提供する。
【解決手段】 電流センサ１を構成する磁性コア２を、金属磁性粉末と結合剤からなる複合体とし、その混合比率を適宜選択して調整することにより、磁気検出素子３の設置部での磁束密度を制御する。金属磁性粉末として、ＦｅＳｉＣｒ合金、あるいはＦｅＳｉＡｌ合金を用い、特に、金属磁性粉末を１０〜８０ｖｏｌ％、残部を結合剤とする混合比率（体積百分率）で複合体を構成する。磁性コア２は、その中心部に導体を通すための貫通穴５、及び磁気検出素子３を磁性コア２の外周部に沿った位置に設置するための凹部４を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、導体に流れる電流を非接触で検出する電流センサに関し、特にハイブリッド
車や電気自動車等に好適な大電流検出用の電流センサに関するものである。

近年、ハイブリッド車や電気自動車等、環境に配慮した電気駆動式の自動車両が普及しつつある。これら電気駆動式の自動車両は、エンジンで発電した電力、ある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により推進力を得ている。特に最近は大電流化が進んでおり、モータ駆動用の電流は６００〜８００Ａの大電流が使用されている。モータの制御はこの電流を検出することで行われている。

図４は、従来の電流センサの構成を示す斜視図である。この種の電流センサ１は、高い比透磁率特性を有するロの字型の矩形状コアの一部を切除して形成したＣ字型の磁性コア２のコアギャップ８内に、磁気検出素子３、例えば、ホール素子を挿入、設置するとともに、磁性コア２及び磁気検出素子３を基板９に接着剤等により固着している。そして、磁性コア２の磁路に一次コイル７を巻回し、一次コイル７に流れる電流と、磁性コア２に巻回した一次コイル７の巻数に比例してコアギャップ８に発生した磁束を磁気検出素子３で検出し、磁気検出素子３の出力を増幅回路１０により増幅するように構成している。このような構成による従来の電流センサ１においては、一次コイル７に被検出電流を流し、これによってコアギャップ８に発生する磁束に比例して磁気検出素子３に発生する電圧を測定し、電流値を検出している。このような技術は、例えば特許文献１に開示されている。

また、磁性コアに対し一次コイルを巻回せず、磁性コアに設けた貫通穴に被測定電流が流れる電線を通した状態で電流を検出する方法が提案されている。測定対象となる被測定電流が流れる電線を通すための貫通穴が形成された筺体と、この筺体の前記貫通穴に沿って配置されたリング状の磁性コアで形成された磁路と、この磁路内に形成された切り欠き（コアギャップ）部に配置される磁気検出素子、例えば磁気インピーダンス素子とからなる。このような技術は、例えば特許文献２に開示されている。

特開平７−４３３８８号公報 特開２００５−２２１４９２号公報

しかしながら、最近のハイブリッド車や電気自動車では、例えば６００〜８００Ａクラスの大電流を検出しなければならない。一次コイルを流れる被検出電流が６００Ａ以上の大電流となる場合、例えば特許文献１に記載されている構成では、使用する磁性コアを大型化しなければならない。また、一次コイルの電線も太線化する必要があるため、全体的に重厚で大型、かつ高価な電流センサになってしまうという問題があった。

また、例えば特許文献１または特許文献２に記載されている、磁性コアの磁路を分断するコアギャップ部に磁気検出素子を設置した構成の電流センサの場合、コアギャップ部、即ち磁気検出素子の設置部の磁束密度（以下、Ｂ値と称す）は、ギャップ幅を調整することで制御している。しかしながら、ギャップ幅に対するＢ値の変化の幅は非常に小さく、磁気検出素子の設置部のＢ値を制御することは技術的に困難を極める。その結果、使用可能な磁気検出素子の選択肢が制限されてしまう。また、場合によっては磁性コアの選定自体を変更しなければならない。そのため設計の自由度が低くなるという問題があった。

そこで本発明の技術的課題は、従来の電流センサの欠点を解消し、小型で大電流が検出可能であり、かつ磁気検出素子の設置部のＢ値を広い範囲で制御可能な設計の自由度が高い電流センサを提供することにある。

本課題を解決するため、本発明者等は種々検討の結果、電流センサを構成する磁性コアを、金属磁性粉末と結合剤との複合体とすることが有効であることを見出した。従来技術において、例えば特許文献１または特許文献２には、電流センサを構成する磁性コアについては、抽象的な表現による記述に留まり、具体的な構成、例えば複合体を用いた磁性コアについての開示はなされていない。さらに本発明では、従来のように、磁性コアの磁路を分断する形で設けたコアギャップのギャップ幅を調整することにより磁気検出素子の設置部でのＢ値を制御するのではなく、複合体中の金属磁性粉末と結合剤との混合比率を適宜選択して調整することにより、磁気検出素子の設置部でのＢ値を広い範囲で制御する。

特に、金属磁性粉末を１０〜８０ｖｏｌ％、残部を結合剤とする混合比率（体積百分率）で複合体を構成するのが有効である。さらに、金属磁性粉末は、ＦｅＳｉ系の軟磁性材料を使用するのが好適であり、特に、ＦｅＳｉＣｒ合金、あるいはＦｅＳｉＡｌ合金を用いて複合体を構成するのがよい。

また、磁性コアは、金型を用いた加圧成形法により形成され、同時に、磁性コアの中心部に導体を通すための貫通穴、及びホール素子や磁気抵抗素子、あるいは磁気インピーダンス素子等の磁気検出素子を磁性コアの外周部に沿った位置に設置するための凹部が形成されているのがよい。

本発明によれば、磁性コアと磁気検出素子とを備えた電流センサにおいて、前記磁性コアは、金属磁性粉末と結合剤との複合体からなり、前記磁性コアの中心部に導体を通すための貫通穴と、前記磁性コアの外周部に沿った位置に前記磁気検出素子を設置するための凹部とを有した電流センサが得られる。

本発明によれば、前記複合体は、前記金属磁性粉末１０〜８０ｖｏｌ％、残部前記結合剤からなる前記電流センサが得られる。

本発明によれば、前記金属磁性粉末は、ＦｅＳｉＣｒ合金である前記電流センサが得られる。

本発明によれば、前記金属磁性粉末は、ＦｅＳｉＡｌ合金である前記電流センサが得られる。

以上述べたように、本発明によれば、上記構成とすることによって、小型で大電流が検出可能であり、かつ磁気検出素子の設置部のＢ値を広い範囲で制御可能な設計の自由度が高い電流センサを提供することができる。

以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係わる電流センサの概略を示す斜視図である。一定の厚さを有した方形状の磁性コア２の中央部には非検出電流が流れる電線６を通すための貫通穴５が設けられている。この貫通穴５の大きさは、電線６を挿入可能で、なおかつ電線６と磁性コア２との接触が回避可能であるのに必要十分な大きさ、即ち電線６の断面形状に適合させ、一定のクリアランスを確保できるように電線６の断面形状より一回り大きく形成されている。

貫通穴５の形状は、例えば導体に絶縁被覆を施した平角電線を容易に通すことが可能な略矩形状である。ただし、この貫通穴５は、図１に示した略矩形に限定されるものではなく、電線６の断面形状に合わせて変更可能なものである。また、磁性コア２の外形状も方形状に限らず、円形状あるいは多角形状のものであっても構わない。

また、磁性コア２の外周部に沿った位置（例えば図１に示した磁性コア２の上部）には磁気検出素子３、例えばホール素子や磁気抵抗素子、あるいは磁気インピーダンス素子を設置するための凹部４が形成されている。凹部４の形状は、設置する磁気検出素子３の形状に合わせて任意の凹形状に設定してよい。

上述した磁性コア２は、金属磁性粉末と、これら粉末同士を結着し、そのコア形状を維持し一定の強度を得るために添加される結合剤とを混合させてなる複合体であり、金型を用いた加圧成形法により一体に成形されたものである。金属磁性粉末は、ＦｅＳｉ系の軟磁性材料を使用するのが好適であり、特に飽和磁束密度、延性、及び耐食性が高いＦｅＳｉＣｒ合金、あるいはＦｅＳｉＡｌ合金を用いるのがよい。結合剤は、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、またはシリコーン樹脂等の熱硬化性樹脂材料が利用でき、粉末状のものを使用する。また、必要に応じてアクリル樹脂等の熱可塑性樹脂材料を使用してもよい。

前記磁性コア２の凹部４に、例えばホール素子や磁気抵抗素子、あるいは磁気インピーダンス素子等の磁気検出素子３を、凹部４の横方向（磁性コア２に設けた凹部４がコア上部にある場合は、水平方向）が感磁方向となるように接着剤等で固着して本発明の電流センサ１を得る。また、本発明の電流センサ１は、非検出電流として、直流電流、交流電流、及びパルス電流に対応する。

以下、本発明の電流センサの実施例について説明する。

（実施例１）
金属磁性粉末としてＦｅＳｉＣｒ合金、Ｆｅ−３Ｓｉ−５Ｃｒを使用し、これに結合剤を添加して混合し混合物を得た。前記混合物を金型に入れ、加圧成形法により複合体からなる磁性コアを作製した。使用したＦｅＳｉＣｒ合金の飽和磁束密度Ｂｓは１．８０Ｔであった。また、前記複合体の混合比率（体積百分率）が、金属磁性粉末１０ｖｏｌ％で残部結合剤、金属磁性粉末２０ｖｏｌ％で残部結合剤、金属磁性粉末３０ｖｏｌ％で残部結合剤、金属磁性粉末４０ｖｏｌ％で残部結合剤、金属磁性粉末５６．７ｖｏｌ％で残部結合剤、金属磁性粉末６３．６ｖｏｌ％で残部結合剤、金属磁性粉末７５．１ｖｏｌ％で残部結合剤、及び金属磁性粉末７７．３ｖｏｌ％で残部結合剤の計８種の磁性コアを作製した。結合剤としてエポキシ樹脂を用いた。

また、前記磁性コアは、図１に示したような一定の厚さを有した方形状とし、縦長を３５ｍｍ、横長を３５ｍｍ、厚さを１０ｍｍとした。貫通穴は、磁性コアの中央部に形成し、縦長を５ｍｍ、横長を１３ｍｍの略矩形状とした。磁性コアの外周部に沿った位置、即ち磁性コアの上部に、縦長が２ｍｍ、横長が６ｍｍの凹部を形成した。前記凹部に磁気インピーダンス素子を接着剤にて固着し、電流センサを得た。

また、あらかじめ作製した磁性コアの各々について、磁性コアの上部に形成した凹部の横方向（水平方向）のＢ値をガウスメーターで測定した。測定は、作製した磁性コアの貫通穴に対し、導体に絶縁被覆を施した平角電線（断面形状が、縦３ｍｍ×横１０ｍｍ）を、前記貫通穴に接触しないように挿入し、前記平角電線に８００Ａの直流電流を流した状態で行った。図２は、本発明の実施例の電流センサに係る磁性コアにおいて、複合体中に金属磁性粉末が占める割合（体積百分率）と凹部の磁束密度の関係を示す図である。本実施例の測定結果を図２の実線に示す。複合体中に金属磁性粉末が占める割合（体積百分率）を１０〜８０ｖｏｌ％の間で変化させた場合、Ｂ値は、約０．２〜３０ｍＴの変化を示すことが確認された。

（実施例２）
金属磁性粉末としてＦｅＳｉＡｌ合金、Ｆｅ−９．５Ｓｉ−５．５Ａｌ（センダスト）を使用し、これに結合剤を添加して混合し混合物を得た。前記混合物を金型に入れ、加圧成形法により複合体からなる磁性コアを作製した。使用したＦｅＳｉＡｌ合金の飽和磁束密度Ｂｓは１．８１Ｔであった。また、前記複合体の混合比率（体積百分率）が、金属磁性粉末１０ｖｏｌ％で残部結合剤、金属磁性粉末２０ｖｏｌ％で残部結合剤、金属磁性粉末３０ｖｏｌ％で残部結合剤、金属磁性粉末４０ｖｏｌ％で残部結合剤、金属磁性粉末５６．７ｖｏｌ％で残部結合剤、金属磁性粉末６３．６ｖｏｌ％で残部結合剤、金属磁性粉末７５．１ｖｏｌ％で残部結合剤、及び金属磁性粉末７７．３ｖｏｌ％で残部結合剤の計８種の磁性コアを作製した。結合剤としてエポキシ樹脂を用いた。

また、前記磁性コアは、図１に示したような一定の厚さを有した方形状とし、縦長を３５ｍｍ、横長を３５ｍｍ、厚さを１０ｍｍとした。貫通穴は、磁性コアの中央部に形成し、縦長を５ｍｍ、横長を１３ｍｍの略矩形状とした。磁性コアの外周部に沿った位置、即ち磁性コアの上部に、縦長が２ｍｍ、横長が６ｍｍの凹部を形成した。前記凹部に磁気インピーダンス素子を接着剤にて固着し、電流センサを得た。

また、あらかじめ作製した磁性コアの各々について、磁性コアの上部に形成した凹部の横方向（水平方向）のＢ値をガウスメーターで測定した。測定は、作製した磁性コアの貫通穴に対し、導体に絶縁被覆を施した平角電線（断面形状が、縦３ｍｍ×横１０ｍｍ）を、前記貫通穴に接触しないように挿入し、前記平角電線に８００Ａの直流電流を流した状態で行った。本実施例の測定結果を図２の破線に示す。複合体中に金属磁性粉末が占める割合（体積百分率）を１０〜８０ｖｏｌ％の間で変化させた場合、Ｂ値は、約０．５〜５０ｍＴの変化を示すことが確認された。

（比較例）
実施例１及び実施例２に示したものと同様の外形状（縦長３５ｍｍ、横長３５ｍｍ）、及び貫通穴形状（縦長５ｍｍ、横長１３ｍｍ）を有した板状の珪素鋼板を複数枚積層して厚さ１０ｍｍの積層体を構成し、前記積層体の外周部に沿った位置、即ち積層体の上部に凹部（縦長が２ｍｍ）を設けた磁性コアを作製した。使用した珪素鋼板の飽和磁束密度Ｂｓは１．８１Ｔであった。また、凹部のギャップ幅、即ち凹部の横長を０．５ｍｍ、０．８ｍｍ、２．０ｍｍ、及び４．０ｍｍとした４種の磁性コアを作製しこれを比較例とした。前記凹部に磁気インピーダンス素子を接着剤にて固着し、電流センサを得た。

また、あらかじめ作製した磁性コアの各々について、磁性コアの上部に形成した凹部の横方向（水平方向）のＢ値をガウスメーターで測定した。測定は、作製した磁性コアの貫通穴に対し、導体に絶縁被覆を施した平角電線（断面形状が、縦３ｍｍ×横１０ｍｍ）を、前記貫通穴に接触しないように挿入し、前記平角電線に８００Ａの直流電流を流した状態で行った。図３は、比較例の電流センサに係る磁性コアの凹部のギャップ幅（凹部の横長）と凹部の磁束密度の関係を示す図である。測定結果を図３に示す。凹部のギャップ幅（凹部の横長）を０．５〜４．０ｍｍの間で変化させた場合、Ｂ値は、約７００〜２００ｍＴの変化を示すことが確認された。

比較例で示したように、凹部のギャップ幅（凹部の横長）を変化させた場合、Ｂ値は１００ｍＴオーダーで推移しており、Ｂ値の変化の幅は小さい。この場合、電流センサに使用可能な磁気検出素子は、この範囲内の磁束密度を検出可能なもの、例えばホール素子のみに限定される。

これに対し、実施例１及び実施例２で示したように、複合体中に金属磁性粉末が占める割合（体積百分率）を変化させた場合、Ｂ値は０．１ｍＴオーダーから１０ｍＴオーダーに至る範囲で推移しており、Ｂ値の変化の幅は、前者に比べて数段大きい。従って、金属磁性粉末と結合剤との複合体からなる磁性コアにおいて、その複合体中に金属磁性粉末が占める割合（体積百分率）を調整することにより、凹部に発生する磁束密度を所望の値に設定することができる。その結果、凹部に設置する磁気検出素子は、微小な磁界を高精度で検出可能な、例えば磁気インピーダンス素子等が使用できる。また、ホール素子あるいは磁気抵抗素子等も使用可能である。これにより、電流センサに使用可能な磁気検出素子の選択肢が広がり、電流センサの設計の自由度を高めることが可能となると同時に小型の電流センサを得ることができる。

ただし、実施例１及び実施例２で示した磁性コアを使用した電流センサにおいて、磁性コアの貫通穴に挿入された電線に流れる被検出電流が、６００〜８００Ａクラスの大電流の場合、複合体中に金属磁性粉末が占める割合（体積百分率）が１０ｖｏｌ％未満、あるいは８０ｖｏｌ％より大きいと、磁気検出素子、例えば磁気インピーダンス素子の検出範囲を外れる可能性がある。従って、金属磁性粉末と結合剤とからなる複合体の混合比率（体積百分率）は、金属磁性粉末１０〜８０ｖｏｌ％、残部結合剤とするのがよい。

以上、実施例を用いて、本発明を実施するための最良の形態を説明したが、本発明の電流センサは、これら実施例に示したもの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の設計変更を伴う構成であっても本発明に含まれる。すなわち、当業者であれば当然成し得るであろう各種変形、または修正を施したものも本発明に含まれる。

本発明の実施の形態に係わる電流センサの概略を示す斜視図。 本発明の実施例の電流センサに係る磁性コアにおいて、複合体中に金属磁性粉末が占める割合（体積百分率）と磁束密度の関係を示す図。 比較例の電流センサに係る磁性コアの凹部のギャップ幅（凹部の横長）と凹部の磁束密度の関係を示す図。 従来の電流センサの構成を示す斜視図。

符号の説明

１ 電流センサ
２ 磁性コア
３ 磁気検出素子
４ 凹部
５ 貫通穴
６ 電線
７ 一次コイル
８ コアギャップ
９ 基板
１０ 増幅回路

Claims (4)

1. 磁性コアと磁気検出素子とを備えた電流センサにおいて、
   前記磁性コアは、金属磁性粉末と結合剤との複合体からなり、
   前記磁性コアの中心部に導体を通すための貫通穴と、
   前記磁性コアの外周部に沿った位置に前記磁気検出素子を設置するための凹部とを有したことを特徴とする電流センサ。
2. 前記複合体は、前記金属磁性粉末１０〜８０ｖｏｌ％、残部前記結合剤からなることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記金属磁性粉末は、ＦｅＳｉＣｒ合金であることを特徴とする請求項１ないし２に記載の電流センサ。
4. 前記金属磁性粉末は、ＦｅＳｉＡｌ合金であることを特徴とする請求項１ないし２に記載の電流センサ。

Images