JP2012002689A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】電気的特性の良い、小型軽量化が可能な電流センサを提供する。
【解決手段】被測定電流が流れる導体５を囲うように第１磁性体１１と一対の第２磁性体１２とが環状に配置され、当該一対の第２磁性体１２の間のギャップ５０に、検出方向をギャップ５０の間隔方向に沿うように配置されて、被測定電流により形成される磁界の強さを検出する検出素子１３を備えた電流センサ１は、第１磁性体１１が、金属磁性体からなる単層平板の一端１１Ａと他端１１Ｂとの間に開口部２１を有するように折り曲げて形成されると共に、一対の第２磁性体１２の少なくとも一方が、第１磁性体１１と離間して配置され、検出素子１３が、ギャップ５０に一対の第２磁性体１２の夫々と離間して配置されてある。
【選択図】図１

Description

本発明は、被測定電流が流れる導体を囲うように第１磁性体と一対の第２磁性体とが環状に配置され、当該一対の第２磁性体の間のギャップに、検出方向をギャップの間隔方向に沿うように配置されて、被測定電流により形成される磁界の強さを検出する検出素子を備えた電流センサに関する。

電気機器を駆動する場合、当該電気機器と電源とを接続する導体に電流が流れる。このような導体に流れる電流（電流値）を測定することは、電気機器を適切に制御する上で重要なものであり、従来、各種の方法で行われてきた。その方法の一つとして、導体に流れる電流に応じて当該導体の周囲に生じる磁界を検出し、当該検出された磁界に基づいて前記導体に流れる電流を演算して求めるものがある（例えば特許文献１及び特許文献２）。

特許文献１に記載される電流検出器は、コアに巻き鉄心を用いて構成される。この巻き鉄心のうち、被測定電流が流れる導体に最も近い層の電位を安定させ、導体における電位変動が検出部に影響しないようにしている。また、特許文献２に記載される磁気平衡式電流計測装置は、コアにパーマロイの積層コアを用いて構成される。この装置では、パーマロイに応力が加わらないようにコアがケース内に収容される。

特許文献１や特許文献２に記載される技術のように、巻き鉄心や積層コアを用いた場合には、コアのサイズが大きくなり、コア自体が重くなる。このため、電流センサを小型軽量化することは容易ではない。例えば、電流センサを車両に搭載する場合には、搭載スペースの確保や低燃費化の観点から小型軽量化された電流センサが望まれる。また、巻き鉄心や積層コアの製造工程は複雑で製造コストが高くなってしまう。

そこで、従来の電流センサのコアよりも小型軽量化を行うべく、単層板状の磁性体を用いてコアを構成しているものがある（例えば特許文献３）。特許文献３に記載の電流センサのコアは、単層板状の磁性体を環状に折り曲げて形成される。ここで、単層板状の磁性体を用い、磁束が流れる経路の面積が小さくなる場合には、磁性体が磁束飽和し易くなり、電流センサの電気的特性が悪化する（例えばリニアリティが低下する）。そこで、特許文献３に記載のコアは、電流センサを配置するギャップ側の幅寸法よりも反ギャップ側の幅寸法の方が大きく形成される。しかしながら、磁性体が磁束飽和し難いように厚い単層板状の磁性体を使用する必要があった。

特開平６−１９４３８８号公報 特開平７−２３９３４７号公報 特開２００８−２３３０１３号公報

本発明の目的は、上記問題に鑑み、電気的特性の良い、小型軽量化が可能な電流センサを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る電流センサの特徴構成は、被測定電流が流れる導体を囲うように第１磁性体と一対の第２磁性体とが環状に配置され、前記一対の第２磁性体の間のギャップに、検出方向を前記ギャップの間隔方向に沿うように配置されて、前記被測定電流により形成される磁界の強さを検出する検出素子を備え、前記第１磁性体が、金属磁性体からなる単層平板の一端と他端との間に開口部を有するように折り曲げて形成されると共に、前記一対の第２磁性体の少なくとも一方が、前記第１磁性体と離間して配置され、前記検出素子が、前記ギャップに前記一対の第２磁性体の夫々と離間して配置されてある点にある。

このような特徴構成とすれば、開口部を有するように金属磁性体を折り曲げて形成される第1磁性体が単層平板で構成されているので、加工が容易である。このため、導体に流れる被測定電流により形成される磁界中の磁束が通る磁気回路を容易に構成することができる。したがって、製造コストを低減することができる。
また、検出素子が、一対の第２磁性体のギャップに配置されるので、第２磁性体を検出素子に近づけることにより検出素子を貫通する磁束を増やすことができる。このため、検出素子の検出感度を上げることができるので、電流センサの検出精度を高めることが可能となる。
また、一対の第２磁性体の少なくとも一方が第１磁性体と離間して配置されるので、第1磁性体を通る磁束の密度（磁束密度）を制御することができる。このため、導体に流れる電流と磁束との関係においてリニアリティのある領域で使用することができるので、電気的特性の良い電流センサを実現できる。
更に、第1磁性体を通る磁束の密度（磁束密度）を制御することができるので、第1磁性体の幅を広くする必要も無いし、厚さを厚くする必要も無い。したがって、電流センサを小型軽量化して実現することが可能となる。

また、前記一対の第２磁性体が、前記単層平板の金属磁性体からなると好適である。

このような構成とすれば、一対の第２磁性体も、第１磁性体と同様に、製造コストを低減することができる。したがって、低コストで電流センサを実現することが可能となる。

また、前記第１磁性体は、前記開口部の開口底部の板幅が、前記一端側及び前記他端側の板幅よりも広く設定されていると好適である。

このような構成とすれば、第１磁性体の開口底部の磁束密度を、第１磁性体の一端側及び他端側の磁束密度よりも低減することができる。したがって、より大電流までリニアリティに高い検出特性を有する電流センサ、すなわち、精度良く測定することが可能な広い測定レンジを有する電流センサを構成することが可能となる。

また、前記一対の第２磁性体が、前記開口部の開口端部より開口奥側に配置されていると好適である。

このような構成とすれば、一対の第２磁性体よりも突出する第１磁性体の開口端部に、磁束が通り難くすることができる。このため、当該開口端部が、電流センサの周囲に配置される機器等から空気中を伝搬してくる磁束が入力されたり、前記機器等に磁束を放射したりするアンテナのように機能することを防止できる。したがって、例えば、電流センサを複数並べて配置した場合であっても、隣接する電流センサの制御対象である導体を流れる被測定電流により生じる磁界の影響を低減することができるので、検出精度の高い電流センサを実現することが可能となる。

電流センサを模式的に示した斜視図である。 電流センサを導体の延設方向から見た図である。 被測定電流と磁束との関係を示す図である。 複数の電流センサを備えた場合の例を示す図である。

以下、本発明に係る電流センサ１に関して説明する。本電流センサ１は、導体５に流れる被測定電流を測定することが可能なように構成されている。ここで、導体５に電流が流れる場合には、当該電流の大きさに応じて導体５を軸心として磁界が発生し（アンペアの法則）、磁界により磁束が発生する。本電流センサ１は、このような磁束の密度を検出し、検出された磁束密度に基づいて導体５に流れる電流（電流値）を測定する。図１には本実施形態に係る電流センサ１の斜視図が示される。図１には、導体５が示されるが、当該導体５が延設する方向を延設方向Ａとする。図２には、導体５の延設方向Ａ視における電流センサ１を模式的に示した図が示される。以下に図１及び図２を用いて説明する。

本電流センサ１は、第1磁性体１１、第２磁性体１２、検出素子１３を備えて構成される。第1磁性体１１は、金属磁性体からなる単層平板で構成される。金属磁性体とは、金属製の磁性体であり、電磁鋼板（珪素鋼板）やパーマロイが相当する。このような磁性体として、特性及び入手性の良い方向性電磁鋼板を用いることが可能である。もちろん、入手性や板厚の種類が豊富な等方性電磁鋼板を用いることも可能である。単層平板とは１層からなる平板である。１層からなる平板とは、少なくとも複数の層を有さずに（積層されずに）構成されたものを示す。このような単層平板の厚さとして、０．２５ｍｍから０．７ｍｍのものを用いると好適であり、０．５ｍｍ±１０％以内のものであると更に好適である。

第１磁性体１１は、単層平板の一端１１Ａと他端１１Ｂとの間に開口部２１を有するように折り曲げて形成される。単層平板の一端１１Ａとは単層平板の一方の端部であり、単層平板の他端１１Ｂとは単層平板の他方の端部である。図１において符号１１Ａ及び１１Ｂを付して示される。折り曲げて形成されるとは、とがった角部を有するように折り曲げて形成されることに限定されるものではなく、角部が丸みを有するように形成されることも含む。第１磁性体１１は、このような単層平板の所定の部位で折り曲げられ、一端１１Ａと他端１１Ｂとで開口部２１を有するように形成される。本実施形態では、第１磁性体１１は、単層平板を２箇所で折り曲げて形成され、図２に示される延設方向Ａ視において、文字「コ」の角部が丸くされた形状、すなわち文字「Ｕ」の底部が平坦とされた形状で構成される。

また、第１磁性体１１は、開口部２１の開口底部２２の板幅が、一端１１Ａ側及び他端１１Ｂ側の板幅よりも広く設定される。開口部２１の開口底部２２とは、開口部２１の奥側に相当する。板幅とは、単層平板で構成される第１磁性体１１の幅であり、本実施形態では図１における延設方向Ａの長さが相当する。開口部２１と対向する側の板幅は、符号Ｘを付して示される。また、一端１１Ａ側及び他端１１Ｂ側とは、開口底部２２よりも一端１１Ａ及び他端１１Ｂに近い側である。一端１１Ａ側及び他端１１Ｂ側の板幅は、夫々符号Ｙ及びＺを付して示される。本実施形態に係る第１磁性体１１は、板幅Ｘが板幅Ｙ及びＺよりも広くなるように構成される。このように板幅を広く設定するのは、第１磁性体１１において、開口部２１の反対側に位置する部分の幅が最大になるように構成すると好適である。

ここで、図３には、開口底部２２の板幅が狭い第１磁性体１１を用いた場合の被測定電流と第１磁性体１１を通る磁束との関係、及び開口底部２２の板幅が広い第１磁性体１１を用いた場合の被測定電流と第１磁性体１１を通る磁束との関係が示される。開口底部２２の板幅が狭い第１磁性体１１を用いた場合には、Ｉ１〔Ａ〕で磁束が飽和している状態が示される。すなわち、Ｉ１〔Ａ〕以下でのみ電気的特性にリニアリティがある。このため、電流センサ１がこのような特性を有する場合には、被測定電流がＩ１〔Ａ〕以下であることが好ましい。すなわち、Ｉ１〔Ａ〕より大きい電流の測定を精度良く行うことは容易ではない。一方、開口底部２２の板幅が広い第１磁性体１１を用いた場合には、被測定電流が、Ｉ１〔Ａ〕より大きいＩ２〔Ａ〕まで磁束が飽和していない。このため、電流センサ１がこのような特性を有する場合には、被測定電流がＩ２〔Ａ〕まで精度良く測定することが可能である。このように、第１磁性体１１における、開口底部２２の板幅を広くすることは、電流センサ１の検出特性のリニアリティを向上することができるので、被測定電流を精度良く測定することが可能な広い測定レンジの電流センサ１を構成することが可能となる。

第２磁性体１２は、一対からなる。図１及び図２には、一方に符号１２Ａを付して示し、他方に符号１２Ｂを付して示される。この一対の第２磁性体１２の間には、ギャップ５０を有して構成される。このギャップ５０は、当該ギャップ５０の幅方向が、開口部２１の開口幅方向と一致するように配置される。開口部２１の開口幅方向とは、開口部２１の幅に沿った方向であり、本実施形態では図１における延設方向Ａと直交する方向が相当する。以下の説明ではこの方向を幅方向Ｂとして説明する。ギャップ５０の幅方向とは、ギャップ５０の幅に沿った方向である。ギャップ５０は、当該ギャップ５０の幅方向が上述の幅方向Ｂと一致するように配置される。

また、一対の第２磁性体１２は、少なくともいずれか一方が第１磁性体１１と離間して配置される。本実施形態では、図２に示されるように、第２磁性体１２の一方１２Ａ及び他方１２Ｂの双方が第１磁性体１１と離間して配置される。したがって、第１磁性体１１と第２磁性体１２の一方１２Ａとの間にはギャップ７０を有し、第１磁性体１１と第２磁性体１２の他方１２Ｂとの間にはギャップ７１を有する。

本実施形態における一対の第２磁性体１２は、単層平板の金属磁性体から構成される。単層平板の金属磁性体とは、上述の第１磁性体１１と同様に、金属磁性体とは、単層の平板からなる金属製の磁性体であり、電磁鋼板（珪素鋼板）やパーマロイが相当する。もちろん、方向性電磁鋼板であっても良いし、等方性電磁鋼板であっても良い。

このような第１磁性体１１と一対の第２磁性体１２とは、図２に示されるように、被測定電流が流れる導体５を囲うように、環状で配置される。環状とは、円環状に限定されるものではなく、多角形であっても良いし、多角形の角部が丸くなったものでも良い。このように、電流センサ１は、導体５が第１磁性体１１と一対の第２磁性体１２とで囲まれた領域を貫通するように配置される。

検出素子１３は、ギャップ５０に一対の第２磁性体１２の夫々と離間して配置される。ギャップ５０とは、一方の第２磁性体１２Ａと他方の第２磁性体１２Ｂとの間に形成される隙間である。検出素子１３は、このようなギャップ５０に一対の第２磁性体１２の夫々と離間して配置される。したがって、検出素子１３と一方の第２磁性体１２Ａとの間にはギャップ９０が形成され、検出素子１３と他方の第２磁性体１２Ｂとの間にはギャップ９１が形成される。

このように配置される検出素子１３は、検出方向をギャップ５０の間隔方向に沿うように配置されて、被測定電流により形成される磁界の強さを検出する。ここで、上述のように導体５に電流が流れると導体５を中心に磁界が発生する。このような磁界が発生している所定の位置に一対の第２磁性体１２を配置していることから、一方の第２磁性体１２Ａと他方の第２磁性体１２Ｂとの間のギャップ５０は、磁束の通り道になる。磁束が通る方向は電流の向きに応じて決まる。このような磁界の強さを検出する検出素子１３は、ホール素子を用いると好適である。ホール素子は、電流が流れている素子を当該電流に垂直な磁界中におくと、電流と磁場の両方に直交する方向に起電力が現れるホール効果を利用した素子である。したがって、検出素子１３は、検出方向をギャップ５０の間隔方向に沿うように配置される。これにより、ギャップ５０に生じる磁界の強さを適切に検出することが可能となる。

このように、本電流センサ１によれば、開口部２１を有するように金属磁性体を折り曲げて形成される第1磁性体１１が単層平板で構成されているので、加工が容易である。このため、導体５に流れる被測定電流により形成される磁界中の磁束が通る磁気回路を容易に構成することができる。したがって、製造コストを低減することができる。また、一対の第２磁性体１２が第１磁性体１１と離間して配置されるので、検出素子１３を貫通する磁束を増やすことができる。このため、検出素子１３の検出感度を上げることができるので、電流センサ１の検出精度を高めることが可能となる。また、一対の第２磁性体１２が第１磁性体１１と離間して配置されるので、第1磁性体１１を通る磁束の密度（磁束密度）を制御することができる。このため、導体５に流れる電流と磁束との関係においてリニアリティのある領域で使用することができるので、電気的特性の良い電流センサ１を実現できる。更に、第1磁性体１１を通る磁束の密度（磁束密度）を制御することができるので、第1磁性体１１の幅を広くする必要も無いし、厚さを厚くする必要も無い。したがって、電流センサ１を小型軽量化して実現することが可能となる。

〔その他の実施形態〕
上記実施形態では、電流センサ１が１本の導体５に対して１つ設けられている場合の例を挙げて説明した。例えば、図４に示されるように複数の導体５の夫々に、電流センサ１を並べて配置することも可能である。係る場合には、導体５に流れる電流の大きさに応じて隣接する電流センサ１の一方と他方との間を、循環する磁束が生じることがある。このような磁束が、図４において波線Ｂ１及び一点鎖線Ｂ２で示される。このような磁束は、他方の電流センサ１の検出精度を悪化させる原因となる。

このため、例えば、一対の第２磁性体１２を、開口部２１の開口端部より開口奥側に配置すると好適である。開口端部とは、第１磁性体１１の一端１１Ａと他端１１Ｂとを結ぶ開口部２１の端部である。開口奥側とは、第１磁性体１１により形成される開口部２１の奥側が相当し、開口方向Ｃにおける開口部２１よりも開口奥側（開口底部２２側）である。一対の第２磁性体１２は、開口部２１の開口端部よりも奥側に配置され、第１磁性体１１は、一対の第２磁性体１２よりも突出する部分を有して構成される。

これにより、一対の第２磁性体１２よりも開口部２１の開口端部側に突出する第１磁性体１１の部分に、磁束が通り易くすることができるので、当該部分が、電流センサ１の周囲に配置される機器等から空気中を伝搬してくる磁束が検出素子を貫通するのを抑制できる。したがって、例えば、複数の電流センサ１を並べて配置した場合であっても、隣接する電流センサ１の測定対象である導体５を流れる被測定電流による影響を低減することができるので、高精度な電流センサ１を実現することが可能となる。

上記実施形態では、一対の第２磁性体１２は、双方が第１磁性体１１と離間して配置されるとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。第２磁性体１２の一方１２Ａ及び他方１２Ｂの一方が、第１磁性体１１と離間して配置されていれば良い。このような構成であっても、上述と同様の効果を得られることは当然である。

上記実施形態では、一対の第２磁性体１２が、単層平板からなるとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。一対の第２磁性体１２は、単層平板以外の材料で構成することも当然に可能である。このような場合であっても、電流センサ１が有する磁性体の大部分を占める第１磁性体１１を単層平板から構成することにより、小型軽量化した電流センサ１を実現することは当然に可能である。

上記実施形態では、第１磁性体１１は、開口部２１の開口底部２２の板幅が、一端１１Ａ側及び他端１１Ｂ側の板幅よりも広く設定されているとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。第１磁性体１１を、開口端部から開口底部２２まで一様な板幅で構成することも当然に可能である。

本発明は、被測定電流が流れる導体を囲うように第１磁性体と一対の第２磁性体とが環状に配置され、当該一対の第２磁性体の間のギャップに、検出方向をギャップの間隔方向に沿うように配置されて、被測定電流により形成される磁界の強さを検出する検出素子を備えた電流センサに用いることが可能である。

１：電流センサ
５：導体
１１：第１磁性体
１１Ａ：一端
１１Ｂ：他端
１２：第２磁性体
１３：検出素子
２１：開口部
２２：開口底部
５０：ギャップ

Claims (4)

1. 被測定電流が流れる導体を囲うように第１磁性体と一対の第２磁性体とが環状に配置され、前記一対の第２磁性体の間のギャップに、検出方向を前記ギャップの間隔方向に沿うように配置されて、前記被測定電流により形成される磁界の強さを検出する検出素子を備えた電流センサであって、
   前記第１磁性体が、金属磁性体からなる単層平板の一端と他端との間に開口部を有するように折り曲げて形成されると共に、
   前記一対の第２磁性体の少なくとも一方が、前記第１磁性体と離間して配置され、
   前記検出素子が、前記ギャップに前記一対の第２磁性体の夫々と離間して配置されてある電流センサ。
2. 前記一対の第２磁性体が、前記単層平板の金属磁性体からなる請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記第１磁性体は、前記開口部の開口底部の板幅が、前記一端側及び前記他端側の板幅よりも広く設定されている請求項１又は２に記載の電流センサ。
4. 前記一対の第２磁性体が、前記開口部の開口端部より開口奥側に配置されている請求項１から３のいずれか一項に記載の電流センサ。

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