JP2010071960A - 磁気平衡式電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 被測定線路の電流値が高い場合でもコイルの巻数が少なくて済む、コンパクトな磁気平衡式電流センサを得る。
【解決手段】 この磁気平衡式電流センサは、被測定線路１１に導通する電流Ｉにより磁束が形成される２つの閉磁路Ｐ１，Ｐ２と、２つの閉磁路Ｐ１，Ｐ２の一方に、その閉磁路Ｐ１内の磁束Φ１を打ち消すために配置されたコイル３と、コイル３の配置された閉磁路に配置され磁束を検出するホール素子２とを備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、磁気平衡式電流センサに関するものである。

磁気平衡式電流センサでは、例えば、Ｃ型コアのギャップにホール素子が配置されるとともに、Ｃ型コアにコイルが巻回される（例えば特許文献１参照）。そして、そのＣ型コアに被測定線路を挿通し、コイルに導通する電流値を制御して、被測定線路に導通する電流により形成される磁束を打ち消して、ホール素子で検出される磁束をゼロにする。そのときのコイルの電流値から、被測定線路の電流値が導出される。

実開昭６４−５１８７１号公報

上述した磁気平衡式電流センサにおいては、コイルによりコア内部の磁束をゼロにするために、被測定線路の巻数および電流値をＮ１、Ｉｐとすると、コイルの巻数Ｎと電流値との積がＮ１×Ｉｐに等しくなるように、コイルの巻数および電流値が決定される。コイルの電流値は、制御回路により駆動するため、通常、数十ミリアンペアである。このため、被測定線路の電流値Ｉｐが、数アンペア以上になり、コイルの電流値より大きい場合には、コイルの巻数Ｎを多くする必要がある。例えば、被測定線路の巻数が１ターンであり５０アンペアの電流値Ｉｐを測定する場合、コイルの電流値が５０ミリアンペアであれば、１０００ターンの巻数Ｎがコイルに必要になる。

このように、被測定線路の電流値が高い場合、コイルの巻数が多くなるため、磁気平衡式電流センサのサイズが大きくなってしまう。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、被測定線路の電流値が高い場合でもコイルの巻数が少なくて済む、コンパクトな磁気平衡式電流センサを得ることを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明では以下のようにした。

本発明に係る磁気平衡式電流センサは、被測定線路に導通する電流により磁束が形成される２つの閉磁路と、２つの閉磁路の一方に、その閉磁路内の磁束を打ち消すために配置されたコイルと、コイルの配置された閉磁路に配置され磁束を検出する検出素子とを備える。

これにより、被測定線路に導通する電流により形成された磁束が複数の閉磁路に分かれ、コイルおよび検出素子が配置された閉磁路の磁束は、被測定線路に導通する電流により形成された磁束の一部となるため、被測定線路の電流値が高い場合でもコイルの巻数が少なくて済む。したがって、磁気平衡式電流センサのサイズを小さくなる。

また、本発明に係る磁気平衡式電流センサは、上記の磁気平衡式電流センサに加え、次のようにしてもよい。この場合、２つの閉磁路は、１つまたは２つのコアで形成されている。

また、本発明に係る磁気平衡式電流センサは、上記の磁気平衡式電流センサに加え、次のようにしてもよい。この場合、２つの閉磁路のそれぞれにギャップが形成されている。

これにより、それぞれのギャップ長を調節することで、被測定線路に導通する電流により形成された磁束のうちの、コイルおよび検出素子が配置された閉磁路の磁束の割合を調節することができ、被測定線路の電流値が高い場合でもコイルの巻数を少なくすることができる。

本発明によれば、被測定線路の電流値が高い場合でもコイルの巻数が少なくて済み、コンパクトな磁気平衡式電流センサを得ることができる。

以下、図に基づいて本発明の実施の形態を説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る磁気平衡式電流センサの構成を示す斜視図である。図２は、図１に示す磁気平衡式電流センサの正面図である。

図１，２において、コア１は、少なくとも２つの閉磁路を形成可能な磁気コアである。コア１は、フェライトなどの磁性材料を焼結して製造される。コア１は、１つのコア部材で構成されていてもよいし、２つのコア部材（例えば２つのＥ型コア）を結合して構成されていてもよい。

この実施の形態では、コア１は、２つの孔Ｋ１，Ｋ２の周りに２つの環状部分を有する略８の字形状を有し、各環状部分にギャップＧ１，Ｇ２を有する。２つの環状部分に、２つの閉磁路Ｐ１，Ｐ２が形成可能である。そして、一方の閉磁路Ｐ１上にのみ、ホール素子２およびコイル３が配置される。

孔Ｋ１，Ｋ２には、１本の被測定線路１１が１度ずつ挿通され、コア１の共通部１ａの周りに１本の被測定線路１１が配置される。

共通部１ａは、コア１において、２つの閉磁路Ｐ１，Ｐ２の両方が通過する部分である。ギャップＧ１，Ｇ２は、共通部１ａ以外の箇所に形成される。

この実施の形態では、コア１の形状は、共通部１ａを中心にして略対称な形状とされている。ただし、ギャップＧ１，Ｇ２のギャップ長ｄ１，ｄ２は、必要に応じて異なる。

なお、この実施の形態では、閉磁路Ｐ１を含む面と閉磁路Ｐ２を含む面とが平行であるが、これらの面が０度以外の角度で交差するように、閉磁路Ｐ１，Ｐ２およびコア１を形成するようにしてもよい。

ホール素子２は、閉磁路Ｐ１上において、磁束（または磁束密度）を検出し、検出した磁束（または磁束密度）に応じた電気信号を出力する検出素子である。

コイル３は、閉磁路Ｐ１上において、被測定線路１１に導通する電流に起因する磁束を打ち消すために配置されたコイルである。

図示せぬ制御回路により、ホール素子２による検出値がゼロになるように、コイル３には電流が導通され、ホール素子２による検出値がゼロになったときのコイル３の導通電流の値から、被測定線路１１の導通電流の値が導出される。

また、ギャップＧ１，Ｇ２のギャップ長ｄ１，ｄ２を調節することにより、閉磁路Ｐ１と閉磁路Ｐ２の磁気抵抗をそれぞれ調節できる。このため、ギャップＧ１，Ｇ２のギャップ長ｄ１，ｄ２は、コイル３の巻数Ｎに応じて決められる。なお、通常、ギャップＧ２のギャップ長ｄ２は、ギャップＧ１のギャップ長ｄ１と同一か長くされる。

被測定線路１１の導通電流に起因するギャップＧ１での磁束Φ１は、式（１）のようになる。ただし、コア１の比透磁率が充分大きいものとする。

Φ１＝μ０・Ｉ・Ｓ１／ｄ１ ・・・（１）

ここで、μ０は空気の透磁率であり、Ｉは被測定線路１１の導通電流であり、Ｓ１はギャップＧ１でのコア１の断面積である。

また、被測定線路１１の導通電流に起因するギャップＧ２での磁束Φ２は、式（２）のようになる。ただし、コア１の比透磁率が充分大きいものとする。

Φ２＝μ０・Ｉ・Ｓ２／ｄ２ ・・・（２）

そして、共通部１ａでの磁束Φは、式（３）のようになる。
Φ＝Φ１＋Φ２ ・・・（３）

このため、磁束Φ１と磁束Φとの比は、式（４）に示すようになる。
Φ１／Φ＝（Ｓ２・ｄ１）／（Ｓ２・ｄ１＋Ｓ１・ｄ２） ・・・（４）

このように、ギャップ長を調節することで、被測定線路１１の電流Ｉにより生成される磁束の一部のみが閉磁路Ｐ１に形成される。

また、ギャップＧ１での磁束の強さも、式（４）に基づき、予め導出可能である。例えば、ギャップＧ１，Ｇ２での断面積Ｓ１，Ｓ２が同一である場合には、磁束Φ１と磁束Φとの比Φ１／Φは、ｄ１／（ｄ１＋ｄ２）となる。したがって、ギャップＧ１のギャップ長ｄ１と、ギャップＧ２のギャップ長ｄ２とを同一とした場合、磁束Φ１と磁束Φとの比Φ１／Φは１／２となる。この場合、閉磁路Ｐ２を設けない場合に比べ、コイル３の巻数Ｎを１／２にすることができる。また、ギャップ長ｄ１とギャップ長ｄ２との比ｄ１／ｄ２を１／９とした場合、磁束Φ１と磁束Φとの比Φ１／Φは１／１０となる。この場合、閉磁路Ｐ２を設けない場合に比べ、コイル３の巻数Ｎを１／１０にすることができる。

次に、上記磁気平衡式電流センサの動作について説明する。

図１，２に示すように、線路１１が配置され、その線路１１に電流Ｉが導通する。電流Ｉに起因して発生する磁束は、閉磁路Ｐ１，Ｐ２のそれぞれに形成される。このとき、電流Ｉに起因して発生する全磁束のうちの一部が、ホール素子２およびコイル３の配置された閉磁路Ｐ１に形成される。

そして、この電流Ｉを計測する場合、ホール素子２で検出される磁束（または磁束密度）がゼロになるように、図示せぬ制御回路により、コイル３に導通する電流Ｉｃが調節される。

ホール素子２で検出される磁束（または磁束密度）がゼロであるときのコイル３の電流Ｉｃから、式（４）に基づく式（５）で、線路１１の電流Ｉが導出される。

Ｉ＝Ｎ・Ｉｃ・（Ｓ２・ｄ１＋Ｓ１・ｄ２）／（Ｓ２・ｄ１） ・・・（５）

ここで、Ｎはコイル３の巻数である。

以上のように、上記実施の形態１に係る磁気平衡式電流センサは、被測定線路１１に導通する電流Ｉにより磁束が形成される２つの閉磁路Ｐ１，Ｐ２と、２つの閉磁路Ｐ１，Ｐ２の一方に、被測定線路１１に導通する電流Ｉに起因する磁束Φ１を打ち消すために配置されたコイル３と、コイル３の配置された閉磁路に配置され磁束を検出するホール素子２とを備える。

これにより、被測定線路１１に導通する電流により形成された磁束が複数の閉磁路Ｐ１，Ｐ２に分かれ、コイル３およびホール素子２が配置された閉磁路Ｐ１の磁束は、被測定線路１１に導通する電流により形成された磁束の一部となるため、被測定線路１１の電流値が高い場合でもコイルの巻数Ｎが少なくて済む。したがって、磁気平衡式電流センサのサイズを小さくなる。

従来のセンサにおいて、ホール素子が配置されるギャップを長くして、ホール素子を通過する磁束を減らすことで、コイル巻数を減らすことが考えられるが、そのようにすると、漏れ磁束が大きくなり、外部に影響を与える可能性があるとともに、外部からの影響により、正確に磁束を検出しづらくなってしまう。一方、上記実施の形態によれば、ギャップ長を長くする必要がないため、漏れ磁束が大きくならない。また、閉磁路が複数になるため、コア１による磁気回路全体での磁気抵抗を小さくすることができ、センサの精度を高くすることができる。

また、上記実施の形態１によれば、２つの閉磁路Ｐ１，Ｐ２のそれぞれにギャップＧ１，Ｇ２が形成されている。

これにより、それぞれのギャップ長ｄ１，ｄ２を調節することで、被測定線路１１に導通する電流により形成された磁束のうちの、コイル３およびホール素子２が配置された閉磁路の磁束の割合を調節することができ、被測定線路１１の電流値が高い場合でもコイルの巻数を少なくすることができる。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２に係る磁気平衡式電流センサの正面図である。実施の形態２では、２つのＣ型コア２１，２２を結合してコア１が形成される。Ｃ型コア２１，２２は、ギャップが形成されていない面で結合される。実施の形態２に係る磁気平衡式電流センサのその他の構成および動作については、実施の形態１と同様であるためのその説明を省略する。実施の形態２では、コア１において、コイル３およびホール素子２が設けられている閉磁路Ｐ１を形成するコア２１と、別の閉磁路Ｐ２を形成するコア２２とが、別々のコア部材とされているため、コイル３およびホール素子２が設けられているコア２１（特に、共通部）の磁化を抑制することができる。

なお、上述の各実施の形態は、本発明の好適な例であるが、本発明は、これら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において、種々の変形、変更が可能である。

例えば、上記実施の形態１，２において、コア１は、３個以上のコア部材を結合したものであってもよい。

また、上記実施の形態１，２において、ギャップＧ１，Ｇ２の位置は、共通部１ａ以外であれば、他の場所でもよい。また、ギャップＧ２を複数設けるようにしてもよい。

また、上記実施の形態１，２において、コア１により形成される閉磁路の数は２であるが、３以上でもよい。

また、上記実施の形態１，２においては閉磁路Ｐ１の長さと閉磁路Ｐ２の長さは略同一であるが、両者は異なっていてもよい。

また、上記実施の形態１，２においては閉磁路Ｐ１におけるコア１の比透磁率と閉磁路Ｐ２におけるコア１の比透磁率は略同一であるが、両者は異なっていてもよい。

また、上記実施の形態１，２において、線路１１の電流Ｉに起因して発生する閉磁路Ｐ２における磁束を打ち消すためのコイルを別に設けるようにしてもよい。これにより、コア１における閉磁路Ｐ２の部分の磁化、機械的変形などを防止することができる。そのコイルに導通させる電流の値は、ギャップ長ｄ１，ｄ２、そのコイルの巻数などから導出され、図示せぬ制御回路により供給される。

また、上記実施の形態１，２において、線路１１、コイル３、および上記別のコイルを回路基板上のパターンとして構成し、その回路基板上にコア１を配置するようにしてもよい。

本発明は、例えば、電流センサに適用可能である。

本発明の実施の形態１に係る磁気平衡式電流センサの構成を示す斜視図である。 図１に示す磁気平衡式電流センサの正面図である。 本発明の実施の形態２に係る磁気平衡式電流センサの正面図である。

符号の説明

１ コア（コアの一例）
２ ホール素子（検出素子の一例）
３ コイル（コイルの一例）
１１ 被測定線路（被測定線路の一例）
Ｇ１，Ｇ２ ギャップ（ギャップの一例）
Ｐ１，Ｐ２ 閉磁路（閉磁路の一例）

Claims (3)

1. 被測定線路に導通する電流により磁束が形成される２つの閉磁路と、
   前記２つの閉磁路の一方に、その閉磁路内の磁束を打ち消すために配置されたコイルと、
   前記コイルの配置された閉磁路に配置され磁束を検出する検出素子と、
   を備えることを特徴とする磁気平衡式電流センサ。
2. 前記２つの閉磁路は、１つまたは２つのコアで形成されていることを特徴とする請求項１記載の磁気平衡式電流センサ。
3. 前記２つの閉磁路のそれぞれにギャップが形成されていることを特徴とする請求項２記載の磁気平衡式電流センサ。

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