JP2009300196A - 電流検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】被検出電流によって充分な磁束が得られない場合であっても、増幅回路の利得をなるべく小さく抑えて測定誤差を少なくすることができる電流検出器を提供する。
【解決手段】電流検出器１００は、ギャップ１０４ａを有する磁性体コア１０４と、ギャップ１０４ａ内に配置されるホール素子１０６とを有する。磁性体コア１０４には、ギャップ１０４ａを挟んで両側にそれぞれ先細形状の集中端部１０４ｂが形成されており、電流測定時に磁性体コア１０４の内部を周回する磁束は集中端部１０４ｂで集中される。このため被検出電流があまり大きくない場合であっても、ホール素子１０６から充分な大きさの電圧信号を得ることができる。
【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に関する先行技術として、被検出電流によって生じる磁束をホール素子で電圧信号に変換し、間接的に電流値を検出する電流センサが知られている（例えば、特許文献１参照。）。この公知の電流センサは磁気回路を構成する磁性体コアを備えており、このコアに形成されたギャップ（有効空隙）内にホール素子が配置されている。被検出電流によってコア内部に生じる磁束はギャップ間を通って周回し、ホール素子で電圧信号（ホール電圧）に変換される。

また上記の先行技術は、被検出電流が流れる電流ライン（電線）や磁性体コア、ホール素子等を樹脂製のモールドで一体的に固定し、これら全体を１つの部品として形成している。このため、磁性体コアとホール素子との位置関係が常に一定であることから、電流測定時にギャップ内でホール素子の受ける磁束が安定し、それによって測定誤差の発生を抑えることができると考えられる。
特開昭５９−９５６５号公報

しかしながら、上述した先行技術の手法はあくまで、電流測定時にホール素子が受ける磁束を安定化させて測定誤差を抑えようとするものであり、その他の要因による測定誤差の防止については特に考慮されていない。

すなわち、被検出電流が比較的小さい値（例えば数アンペア程度）の領域にある電流検出器では、それに伴って磁性体コアに発生する磁束も少なくなるため、ホール素子の感度レンジ内では電流の測定に充分なレベルの電圧信号が得られない。この場合、ホール素子から得られる電圧信号を増幅し、電流の測定に利用できるだけの大きな利得を取る必要がある。ところが、一般的に増幅時の利得が大きくなると、それだけ外的な要因（例えば温度ドリフト、ノイズの影響等）によって測定誤差が生じやすくなるという問題が生じる。

そこで本発明は、被検出電流によって充分な磁束が得られない場合であっても、増幅回路の利得をなるべく小さく抑えて測定誤差を少なくすることができる技術の提供を課題とする。

本発明は、被検出電流の導通時に発生する磁界が周回する磁路を形成する磁性体コアと、磁性体コアに形成されたギャップ内に配置され、被検出電流の導通時にギャップ内を通る磁束を電圧信号に変換するホール素子とを備えた電流検出器である。特に本発明は、磁性体コアのギャップを挟んで対向する位置に、ギャップの両側から中心に向かって先細形状をなす一対の集束端部をそれぞれ形成したものである。

本発明の電流検出器によれば、被検出電流によって磁性体コア内部に発生した磁束を集束端部で集中させることにより、それだけギャップ内でホール素子が受ける磁束を多くすることができる。したがって、特に集束端部を設けていない場合と比較して、増幅時の利得を過度に大きくしなくても、測定に耐えるだけの充分なレベルの電圧信号を得ることができる。その結果、被検出電流の値が比較的小さい領域で電流検出器を使用する場合においても、外的な要因による測定誤差を防止し、その特性の劣化を抑えることができる。

特に本発明では、集中端部が先細形状であるため、磁束の周回方向でみてその断面積が急激に変化することはない。これにより、集中端部内で局所的に磁束が集中するのを防止し、磁性材料の磁気飽和を抑えることができる。この点、例えばギャップに向けて磁性体コアを段付き（凸型）形状に絞ったとすると、段付きの部分で断面積が急激に変化するため、そこで局所的に磁束が集中し、磁気飽和が発生してしまう。こうなると、測定範囲が頭打ちになる等、電流検出器としての特性が大きく劣化してしまうため、実用に適さなくなる。これに対し、本発明では集中端部を先細形状とすることで、その断面積の急激な変化をなくしているため、局所的な集中による磁気飽和を発生することはない。

また集束端部は、ギャップを挟んだ両側に一対をなして配置されているため、磁性体コアの内部で周期的に磁界の周回方向が変化する場合であっても、その周回方向によって磁束の集中度合には変化が生じない。このため本発明の電流検出器は交流に対して高い特性を発揮することができる。

より詳しくは、上記の集束端部は、被検出電流の導通時に磁性体コアによる磁界の周回方向でみて上流側に位置する場合、磁性体コアの内部を通る磁束をギャップ内に臨む端面に向けて集中させた状態で端面からギャップ内に放出させるものである。

すなわち、集束端部はギャップの中心に向かって先細形状をなしているため、磁性体コアは集中端部でギャップに向かうほど断面積が縮小する。このとき磁性体コア内部を通る磁束は、集中端部での断面積の減少に伴って周回方向に集中されていき、その状態を維持したまま端面からギャップ内に放出される。このため、ホール素子に対して集中させた磁束を効率よく貫通させることができ、それによって電圧信号のレベルが向上するので、上記のように増幅回路での利得を低く抑えることができる。

また集束端部は、被検出電流の導通時に磁性体コアによる磁界の周回方向でみて下流側に位置する場合、ギャップ内を通った磁束をギャップに臨む端面から取り入れて、磁性体コアの内部に拡散させることができる。

すなわち、集中端部はギャップ側からみると末広形状（又は先太形状）となっており、その断面積は端面から磁性体コアの内部に向かって次第に拡大している。このため、上流側の集中端部からギャップに放出された磁束が下流側の集中端部に入る場合、その端面から取り入れられた磁束が断面積の拡大に伴って自然に拡散し、集中する前の状態に戻って磁性体コア内部を再び周回することができる。これにより、ギャップを挟んだ両側で磁束の不均衡が生じるのを防止し、漏れ磁束の発生等を抑えて磁気回路を安定化させることができる。

本発明の電流検出器は、被検出電流により発生する磁束が不充分であっても、より小さい利得で測定に充分なレベルの電圧信号を得ることができるため、測定誤差を生じる外的な要因に対して、より高い耐性を発揮することができる。

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内には、収容部１０２ａ及びガイドスリーブ１０２ｂが形成されている。収容部１０２ａは、図１に示される手前側が開放されているが、その奥には底板１０２ｃが形成されている。ガイドスリーブ１０２ｂは底板１０２ｃ上から上方に延びており、その内部は中空の電流導通部１０２ｄとして形成されている。

樹脂ケース１０２の収容部１０２ａには、例えばフェライト製の磁性体コア１０４が収容される。磁性体コア１０４は全体として略四角リングの形状をなしているが、その周方向の一部にギャップ１０４ａが形成されており、実際にはＣ字リング形状をなしている。また磁性体コア１０４の内側は断面角形状の中空部１０４ｄが形成されている。なお、ここでは磁性体コア１０４をフェライト製としているが、磁性材料の金属板を複数に積層した構造のコアであってもよい。

また磁性体コア１０４には、ギャップ１０４ａを挟んだ両側に一対の集中端部１０４ｂが形成されている。これら集中端部１０４ｂはギャップ１０４ａを挟んで対向しており、いずれもギャップ１０４ａの中心に向かって先細形状（テーパー形状）をなしている。なお図示の例では、集中端部１０４ｂが全体としてギャップ１０４ａに向けて延びる四角錐台形状であり、その端面１０４ｃは四角形状である。

樹脂ケース１０２のうち、ガイドスリーブ１０２ｂの外形は磁性体コア１０４の中空部１０４ｄより僅かに小さく、また、収容部１０２ａの内法は磁性体コア１０４の外形よりも大きい。このため磁性体コア１０４を樹脂ケース１０２内に収容する際、その中空部１０４ｄがガイドスリーブ１０２ｂの外面に沿って案内される。

樹脂ケース１０２には、磁性体コア１０４とともにホール素子１０６もまた収容される。ホール素子１０６は、例えばパッケージ部品の状態で回路基板１０８に実装されており、この回路基板１０８は磁性体コア１０４の側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１０６はギャップ１０４ａ内に挿入され、所定位置（例えば中央位置）にて位置決めされる。また回路基板１０８には複数のピン端子１０８ａが設けられており、これらピン端子１０８ａは図示しない配線パターンを通じてホール素子１０６に接続されている。なお回路基板１０８には、これらピン端子１０８ａの周囲に図示しないコネクタケースが設けられるものとなっている。

特に図示していないが、樹脂ケース１０２に磁性体コア１０４及び回路基板１０８を収容した状態で、収容部１０２ａ内がポッティング樹脂により封止されると、これにより電流検出器１００が完成状態となる。なお、この状態でピン端子１０８ａ及び図示しないコネクタケース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である。

電流検出器１００は、その電流導通部１０２ｄ内を貫通する方向に被検出電流を導通させて使用することができる。電流導通部１０２ｄ内に被検出電流が導通されると、それによって発生する磁界が磁性体コア１０４の内部を通じて周回する。このとき磁性体コア１０４のギャップ１０４ａを通る磁束がホール素子１０６で電圧信号に変換され、これを回路基板１０８に形成された増幅回路（図示していない）で増幅したものが検出信号として取り出される。

〔集中端部による磁束の集中〕
次に、磁性体コア１０４のギャップ１０４ａの両側に形成されている集中端部１０４ｂについて説明する。集中端部１０４ｂは、被検出電流の導通時（電流測定時）に磁性体コア１０４内部に発生する磁束を集中させる機能を有している。以下、具体的に説明する。

図２は、磁性体コア１０４の内部に発生する磁束の流れを周回方向別に表した模式図である。すなわち図２中（Ａ）と図２中（Ｂ）とでは、磁性体コア１０４内での磁束の周回方向が互いに逆となっている。このような周回方向の違いは、同じ電流検出器１００で交流の測定を行う場合に発生し得る。

図２中（Ａ），（Ｂ）に示されているように、磁束の周回方向でみて上流側に位置する集中端部１０４ｂでは、磁性体コア１０４の内部を通る磁束が次第に端面１０４ｃに向かって集中されている。そして端面１０４ｃからは、磁束が集中された状態でギャップ１０４ａ内に放出され、そのままホール素子１０６を貫通する。

一方、磁束の周回方向でみて下流側に位置する集中端部１０４ｂでは、ギャップ１０４ａ内を通った磁束が端面１０４ｃから取り入れられると、そこから磁性体コア１０４の内部に拡散している。したがってこの後、磁束は上流側で集中される前の状態に復帰し、そのまま磁性体コア１０４の内部を周回することができる。

このように、集中端部１０４ｂで磁束を集中させ、その状態でホール素子１０６に磁束を通すことにより、ホール素子１０６から得られる電圧信号について充分なレベルを確保することができる。このため、増幅回路の利得を過度に大きくする必要がないことから、外的な要因（例えば温度ドリフト、ノイズによる影響）による測定誤差の発生を抑えることができる。

〔比較例との対比〕
次に、第１実施形態の電流検出器１００による有用性を比較例との対比をもって説明する。図３は、比較例１の磁性体コア３０４を用いた場合にその内部に発生する磁束の流れを周回方向別に表した模式図である。比較例１の磁性体コア３０４は、ギャップ３０４ａを挟んだ一方にだけ集中端部３０４ｂが形成された構造を有するものである。

図３中（Ａ）：比較例１では、磁束の周回方向でみて上流側に集中端部３０４ｂが位置する場合、第１実施形態と同様に磁束を集中させることができる。

図３中（Ｂ）：これに対し、磁束の周回方向が反転すると、特に集中端部３０４ｂが形成されていない端面３０４ｄから磁束が集中されていない状態でギャップ３０４ａ内に放出されるため、図３中（Ａ）の場合とはホール素子１０６を通る磁束の状態が変化する。この場合、交流の測定に際してホール素子１０６から得られる電圧信号が周期的に変動してしまうため、それによって測定値が不安定となり、交流に対する特性が悪化してしまう。

この点、第１実施形態では、ギャップ１０４ａの両側で対称に集中端部１０４ｂが形成されているため、交流の測定に際してホール素子１０６から得られる電圧信号が大きく変動することがなく、交流に対しても安定した良好な特性を発揮することができる。

次に図４は、比較例２の磁性体コア４０４を用いた場合にその内部に発生する磁束の流れ（一方向のみ）を表した模式図である。比較例２の磁性体コア４０４は、ギャップ４０４ａを挟んだ両側（片側だけでもよい）に凸型状の段付き部４０４ｂが形成された構造を有するものである。

比較例２では、磁束の通る方向でみて磁性体コア４０４の断面積が段付き部４０４ｂの部分で急激に絞られている。この場合、磁性体コア４０４の内部を通る磁束が段付き部４０４ｂの根元の領域Ａ（図３中に一点鎖線で示した箇所）で局所的に集中するため、被検出電流の値が小さい領域であっても早期に磁気飽和が発生しやすくなる。この場合、磁気飽和によってそれ以上の磁束が通らなくなるため、被検出電流の測定範囲が頭打ちとなり、電流検出器としての製品特性が大きく劣化する。

これに対し、第１実施形態の電流検出器１００では、集中端部１０４ｂにて磁性体コア１０４の断面積を次第に縮小させているため、比較例２のように局所的な磁束の集中が発生しにくい構造となっている。これにより、比較的早期に磁気飽和が発生するのを抑え、電流検出器１００の製品特性が劣化するのを防止することができる。

〔第２実施形態〕
図５は、第２実施形態の電流検出器に用いることができる磁性体コア２０４の形状を示す斜視図である。第２実施形態で用いられる磁性体コア２０４は、集中端部２０４ｂの形状が第１実施形態の場合と異なっている。すなわち、第１実施形態では集中端部１０４ｂが４つの斜面を有する角錐台形状であったが、第２実施形態では集中端部２０４ｂが２つの斜面のみを有する先細形状である。

第２実施形態で用いる磁性体コア２０４においても同様に、集中端部２０４ｂで磁束を集中させることにより、ホール素子１０６から得られる電圧信号について充分なレベルを確保することができ、それによって外的な要因による測定誤差の発生を抑えることができる。

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、磁性体コア１０４，２０４等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。 磁性体コアの内部に発生する磁束の流れを周回方向別に表した模式図である。 比較例１の磁性体コアを用いた場合にその内部に発生する磁束の流れを周回方向別に表した模式図である。 比較例２の磁性体コアを用いた場合にその内部に発生する磁束の流れ（一方向のみ）を表した模式図である。 第２実施形態の電流検出器に用いることができる磁性体コアの形状を示す斜視図である。

符号の説明

１００ 電流検出器
１０２ 樹脂ケース
１０４ 磁性体コア
１０４ａ ギャップ
１０４ｂ 集中端部
１０４ｃ 端面
１０６ ホール素子

Claims (3)

1. 被検出電流の導通時に発生する磁界が周回する磁路を形成する磁性体コアと、
   前記磁性体コアに形成されたギャップ内に配置され、被検出電流の導通時に前記ギャップ内を通る磁束を電圧信号に変換するホール素子と、
   前記磁性体コアの前記ギャップを挟んで対向する位置にそれぞれ形成され、前記ギャップの両側から中心に向かって先細形状をなす一対の集束端部と
   を備えた電流検出器。
2. 請求項１に記載の電流検出器において、
   前記集束端部は、
   被検出電流の導通時に前記磁性体コアによる磁界の周回方向でみて上流側に位置する場合、前記磁性体コアの内部を通る磁束を前記ギャップ内に臨む端面に向けて集中させた状態で前記端面から前記ギャップ内に放出させることを特徴とする電流検出器。
3. 請求項１又は２に記載の電流検出器において、
   前記集束端部は、
   被検出電流の導通時に前記磁性体コアによる磁界の周回方向でみて下流側に位置する場合、前記ギャップ内を通った磁束を前記ギャップに臨む端面から取り入れて、前記磁性体コアの内部に拡散させることを特徴とする電流検出器。

Images