JP2009258029A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 小型で大電流の検出が可能であり、かつ、磁気検出素子の設置部のＢ値を広い範囲で変えることが可能な電流センサを提供すること。
【解決手段】 磁性コア２１と磁気検出素子２３とを備え、被測定導体２２を通すために磁性コア２１の中心部に設けた貫通穴２５と、磁気検出素子２３を設置するために磁性コア２１の外周部である外周面２７に設けた凹部２６と、貫通穴２５から凹部２６が設けられていない磁性コア２１の外周面２７に達する空隙すなわちコアギャップ２４とを有している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電流により発生する磁場を磁気検出素子により検出することにより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、特に大電流を検出するのに好適な電流センサに関する。

近年、自動車の分野では従来のガソリン車やジーゼル車に代わって環境に配慮したハイブリッド車や電気自動車が普及しつつある。これらの自動車において、電気モータによる駆動の際には大電流を流す必要があり、その電流を検出して駆動の制御が行なわれている。また、上記の自動車分野以外の大電力を使用する機器や装置でも何らかの電力制御を行なうためには電流の検出が必要である。

このような目的の従来の電流センサの一例の斜視図を図７に示す。図７において、この電流センサは、高い比透磁率特性を有する矩形状ロ字型のコアの一部を切除して形成したＣ字型の磁性コア７のコアギャップ１８内に、磁気検出素子１１、例えば、ホール素子などを挿入するとともに、磁性コア７及び磁気検出素子１１を基板１２に接着剤等により固着している。そして、磁性コア７の一部にコイル１３を巻回し、コイル１３に流れる電流と、磁性コア７に巻回したコイル１３の巻数に比例してコアギヤップ１８に発生した磁束を磁気検出素子１１で検出するものである。すなわち、この電流センサにおいては、コイル１３に被検出電流を流し、これによってコアギャップ１８に発生する磁束に比例して磁気検出素子１１が発生する出力電圧を増幅回路１４により増幅し、その出力から電流値を検出している。上記のような方式の電流センサの一例が特許文献１に記載されている。

また、従来の他の方式の電流センサとしては、コアの切り欠き部（コアギャップ）を設けたＣ字型の環状の磁性コアの中心に被測定用の電線を通し、上記切り欠き部に磁気インピーダンス素子を配置し、上記電線を流れる電流が磁性コアに沿って形成するリング状の磁界を磁気インピーダンス素子のインピーダンス変化として検出し、検出回路によりその信号を上記磁界に比例する電圧信号に変換する電流センサが特許文献２に記載されている。

特開平０７−０４３３８８号公報 特開２００５−２２１４９２号公報

最近のハイブリッド車や電気自動車では、例えば６００〜８００Ａ程度の大電流を検出しなければならない。その場合、図７に示した従来の電流センサの構成では、コイル１３を流れる被検出電流が６００Ａ以上の大電流となると使用する磁性コア７を大型化する必要がある。また被検出用電線も太線化するためコイル１３も大型化し、全体的に大型で、重厚で、かつ高価な電流センサになってしまうという問題点があった。

また、特許文献１、特許文献２に記載されているように、磁性コアに沿った磁路中のコアギャップ内に磁気検出素子を設置した場合、通常、そのコアギャップの磁路方向の長さ、すなわちギャップ幅を調整して磁気検出素子の設置部の磁束密度（以下、Ｂ値とする）を磁気検出素子に適したＢ値となるように制御しているが、そのＢ値の可変範囲は狭く、高々８０〜９０％程度の範囲でしかＢ値を変化させることができない。このことは、磁気検出素子の選択の範囲が限られ、また場合によっては、磁性コアの材料や基本形状を変更せざるを得なくなってしまう。このため、設計の自由度が低くなり、十分な小型化や低価格化が行なえないという問題があった。

そこで本発明の課題は、従来の電流センサの欠点を解消し、小型で大電流の検出が可能であり、かつ、磁気検出素子の設置部のＢ値を広い範囲で変えることが可能な電流センサを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、磁性コアと磁気検出素子とを備え、被測定導体を通すために前記磁性コアの中心部に設けた貫通穴と、前記磁気検出素子を設置するために前記磁性コアの外周部に設けた凹部と、前記磁性コアの前記貫通穴から前記凹部が設けられていない前記磁性コアの外周部に達する空隙とを有することを特徴とする。

ここで、前記貫通穴の中心と前記凹部の中心を結ぶ線と、前記貫通穴の中心と前記磁性コアの外周部における前記空隙の中心を結ぶ線とが成す角度が３０度以上であることが望ましい。

また、前記貫通穴の中心と前記凹部の中心を結ぶ線と、前記貫通穴における前記空隙の中心と前記磁性コアの外周部における前記空隙の中心を結ぶ線とがほぼ平行であるように構成しても良い。

また、前記磁性コアは、前記貫通穴の中心線にほぼ平行で前記貫通穴を囲む内周面と、前記貫通穴の中心線にほぼ平行で前記内周面に対向した外周面と、該外周面および前記内周面にほぼ垂直で前記貫通穴の中心線方向にほぼ平行に配置された２つの平面と、前記空隙を挟む２つの面と、前記外周面の一部に形成され前記凹部を構成する凹形状の面とを有し、前記空隙を挟む２つの面は前記貫通穴の中心線にほぼ平行な２つの平面であってもよい。

また、前記磁性コアは複数の板状の磁性材料を積層して形成されていてもよい。

本発明は、発明者等が種々の検討を行った結果、Ｂ値を広い範囲で可変とするためには、磁性コアにおいて、磁気検出素子を従来のコアギャップ内ではなく、コアギャップが形成されている部分とは別の箇所の磁性コアの外周部に設置用の凹部を設けてそこに設置することが有効であることを見出したことに基づくものである。すなわち、上述のように磁気検出素子をコアギャップとは異なる位置に設けた凹部に設置した場合、コアギャップのギャップ幅の大きさに応じて、磁気検出素子の設置部のＢ値を、１桁を大きく超える範囲で変化させることが可能である。

以上のように、本発明によれば小型で大電流の検出が可能であり、かつ、磁気検出素子の設置部のＢ値を広い範囲で変えることが可能な電流センサが得られる。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明による電流センサの第１の実施の形態の電流センサを示す斜視図である。図１において、磁性コア２１と磁気検出素子２３とを備え、被測定導体２２を通すために磁性コア２１の中心部に設けた貫通穴２５と、磁気検出素子２３を設置するために磁性コア２１の外周部である外周面２７に設けた凹部２６と、貫通穴２５から凹部２６が設けられていない磁性コア２１の外周面２７に達する空隙すなわちコアギャップ２４とを有している。

ここで、凹部２６とコアギャップ２４は貫通穴２５の中心線２８に対して互いに反対側すなわち１８０度の位置にある。

また、本実施の形態においては、製作上の便宜のため、磁性コア２１は、貫通穴２５の中心線２８にほぼ平行で貫通穴を囲む内周面と、中心線にほぼ平行で内周面に対向した外周面２７と、外周面２７および内周面にほぼ垂直で中心線２８の方向にほぼ平行に配置された２つの平面である上面２９ａおよび下面２９ｂと、コアギャップ２４を挟む中心線にほぼ平行な２つの平面と、外周面２７に形成された凹部２６を構成する凹形状の面とからなっている。また、磁性コア２１は、複数の板状の珪素鋼板に、貫通穴２５、凹部２６、コアギャップ２４を構成するように成型加工を行い、それを積層することにより作製している。貫通穴２５は、被測定導体２２を磁性コア２１とは接触させずに貫通させることが可能なように、被測定導体２２の断面形状に基づき、その断面形状より一回り大きく形成されている。また、磁気検出素子としてはホール素子や磁気インピーダンス素子を用いることができる。

本実施の形態の電流センサの効果を確認するため、従来の電流センサと同様にコアギャップの部分に磁気検出素子を設置するよう構成した電流センサを比較例として具体例と共に作製し比較評価した。図２はこの比較例の電流センサの斜視図である。図２に示すように、比較例の磁性コア５１も第１の実施の形態の磁性コア２１と同様に板状の珪素鋼板に、凹部５６、コアギャップ５４を構成するように成型加工を行い、それを積層することにより作製しており、コアギャップ５４、凹部５６および貫通穴５５の形状は第１の実施の形態とほぼ同じである。しかし、磁気検出素子が設置される凹部５６はコアギャップ５４と同じ位置に形成されている。

評価のため作製した第１の実施の形態の具体例および比較例の磁性コアの形状は、上面および下面が一辺３５ｍｍの正方形に近い形状で厚さは１０ｍｍ、貫通穴の形状は断面が５ｍｍ×１３ｍｍの矩形に近い形状、凹部の形状は２ｍｍ×６ｍｍの矩形とした。磁気検出素子として磁気インピーダンス素子を凹部に接着剤で固着し、電流センサが完成する。

ここでは、評価方法として、両者の磁性コアにおいて、コアギャップのギャップ幅を変えた時の凹部でのＢ値の変化を測定した。図３は、第１の実施の形態および比較例の磁性コアにおいて、被測定導体へ通電する電流値を８００Ａとした場合の凹部におけるＢ値のギャップ幅依存性を示す。図６からわかるように、実施例１のＢ値は、ギャップ幅に応じて１ｍＴ以下から数十ｍＴまで１桁以上に渡って大きく変化しているのに対して、比較例のＢ値はせいぜい数百ｍＴの範囲の１桁以内の範囲で変化しているのみである。このことから、本実施例において、磁気検出素子が設置される凹部でのＢ値を大きな範囲で変えることが可能であることがわかる。

（第２の実施の形態）
図４は本発明による電流センサの第２の実施の形態の電流センサを示す図であり、貫通穴の中心線に垂直な方向の断面図である。第１の実施の形態と同様に、磁性コア３１と磁気検出素子２３とを備え、被測定導体３２を通すために磁性コア３１の中心部に設けた貫通穴３５と、磁気検出素子３３を設置するために磁性コア３１の外周面に設けた凹部３６と、コアギャップ３４とを有している。また、第１の実施の形態と同様に板状の珪素鋼板に成型加工を行い、それを積層することにより作製することができる。但し、本実施の形態においては、磁気検出素子３３を設置する凹部３６の位置とコアギャップ３４の位置は、図４の断面において、貫通穴の中心とそれぞれの中心を結ぶ線が互いに角度αを成す位置にあり、角度αは３０度以上である。

本実施の形態の電流センサの効果を確認するため、第１の実施の形態の評価のために作製した磁性コアと同様の形状の磁性コアを角度αを変えて作製し、凹部でのＢ値の変化を測定した。ギャップ幅１ｍｍとし、被測定導体３２へ通電する電流値を８００Ａとした場合の角度αと凹部でのＢ値の関係を図５示す。図５から分かるように、角度αが３０度以上の場合にはαが１８０度に相当する第１の実施の形態の場合と同程度のＢ値が得られ、十分な本発明の効果が得られる。しかし、αが３０度以下の場合にはＢ値が急激に上昇するため、Ｂ値を制御するためにはギャップ幅のより高精度の調整が必要となり、またＢ値の可変範囲も狭くなる。

（第３の実施の形態）
図６は本発明による電流センサの第３の実施の形態の電流センサを示す斜視図である。第１の実施の形態と同様に、磁性コア４１と磁気検出素子４３とを備え、被測定導体４２を通すために磁性コア４１の中心部に設けた貫通穴４５と、磁気検出素子４３を設置するために磁性コア４１の外周面に設けた凹部４６と、コアギャップ４４とを有している。また、第１の実施の形態と同様に板状の珪素鋼板に成型加工を行い、それを積層することにより作製することができる。但し、本実施の形態においては、貫通穴４５の中心線に垂直な断面内において、貫通穴４５の中心と凹部４６の中心とを結ぶ線とコアギャップ４４の中心線が、同一線上になく、かつ、ほぼ平行となるように構成されている。

表１は、本実施の形態の電流センサの効果を確認するため、第１の実施の形態の評価のために作製した磁性コアと同様の形状の磁性コアをコアギャップの配置を図６のように変えて作製し、凹部でのＢ値を測定した結果を第１の実施の形態と比較して示す。ギャップ幅１ｍｍとし、被測定導体４２へ通電する電流値を８００Ａとした場合である。本実施の形態の場合も第１の実施の形態と同程度のＢ値が得られ、ギャップ幅の調整により大きなＢ値の変化を得ることができる。

以上説明したように、本発明によれば、磁気検出素子の設置部である凹部のＢ値を広い範囲で変えることが可能な電流センサが得られる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではないことはいうまでもなく、目的や用途に合わせて任意に設計変更可能である。例えば、磁性コアの上面、下面の形状は矩形状でなく、円や楕円、多角形状の形状でも良く、各部分の寸法も被測定導体や電流値に対応して設計可能である。さらに、磁性体の板を積層して形成するのでなく一体の材料で形成しても良い。また、貫通穴の中心軸に対する上面、下面、内周面、外周面の角度は実施例に示した角度でなくてもよく、また、曲面であっても本発明の効果が得られる。コアギャップの中心線の方向も任意の方向に設定でき、また、コアギャップを挟む２つの面はそれぞれ１つの平面でなくてもよい。

本発明の第１の実施の形態の電流センサを示す斜視図。 比較例の電流センサの斜視図。 第１の実施の形態および比較例の磁性コアにおいて、凹部におけるＢ値のギャップ幅依存性を示す図。 本発明の第２の実施の形態の電流センサを示す図、貫通穴の中心線に垂直な方向の断面図。 第２の実施の形態において、角度αと凹部でのＢ値の関係を示す図。 本発明の第３の実施の形態の電流センサを示す斜視図。 従来の電流センサの一例の斜視図。

符号の説明

７、２１、３１、４１、５１ 磁性コア
１１、２３、３３、４３、５３ 磁気検出素子
１２ 基板
１３ コイル
１４ 増幅回路
１８、２４、３４、４４、５４ コアギャップ
２２、３２、４２、５２ 被測定導体
２５、３５、４５、５５ 貫通穴
２６、３６、４６、５６ 凹部
２７ 外周面
２８ 中心線
２９ａ 上面
２９ｂ 下面

Claims (5)

1. 磁性コアと磁気検出素子とを備え、被測定導体を通すために前記磁性コアの中心部に設けた貫通穴と、前記磁気検出素子を設置するために前記磁性コアの外周部に設けた凹部と、前記磁性コアの前記貫通穴から前記凹部が設けられていない前記磁性コアの外周部に達する空隙とを有することを特徴とする電流センサ。
2. 前記貫通穴の中心と前記凹部の中心を結ぶ線と、前記貫通穴の中心と前記磁性コアの外周部における前記空隙の中心を結ぶ線とが成す角度が３０度以上であることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記貫通穴の中心と前記凹部の中心を結ぶ線と、前記貫通穴における前記空隙の中心と前記磁性コアの外周部における前記空隙の中心を結ぶ線とがほぼ平行であることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
4. 前記磁性コアは、前記貫通穴の中心線にほぼ平行で前記貫通穴を囲む内周面と、前記貫通穴の中心線にほぼ平行で前記内周面に対向した外周面と、該外周面および前記内周面にほぼ垂直で前記貫通穴の中心線方向にほぼ平行に配置された２つの平面と、前記空隙を挟む２つの面と、前記外周面の一部に形成され前記凹部を構成する凹形状の面とを有し、前記空隙を挟む２つの面は前記貫通穴の中心線にほぼ平行な２つの平面であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電流センサ。
5. 前記磁性コアは複数の板状の磁性材料を積層して形成されていることを特徴とする請求項４に記載の電流センサ。

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