JP2012037377A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】検出精度を向上させつつ、小型化及び低コスト化を図ることができる電流センサを提供すること。
【解決手段】ギャップ２０を備え環状に形成され、その環状内側に挿入される検出対象物２２に流れる電流により発生する磁束の磁路となるコア１０と、ギャップ２０にて対向するコア端面３０ａ，３０ｂ間に配置され、ギャップ２０内の磁界の強さに応じた電気信号を発生するホール素子１２とを有する電流センサ１において、各コア端面３０ａ，３０ｂを、テーパ形状をなし、互いに平行かつ正対するように形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、コアのギャップ内に磁気センサを設けた電流センサに関するものである。

従来、ＨＶ（ハイブリッド自動車）やＥＶ（電気自動車）のバッテリにおいて、充電時あるいは放電時に流れる電流などの電流値を検出する電流センサが存在する。この種の電流センサとして、例えば、ギャップを備えた磁性体材料からなる環状のコアと、ギャップ内に配置される磁気センサとを有している（特許文献１参照）。

そして、この種の電流センサでは、電流が流れる検出対象物を囲むように環状のコアが配置されている。このため、検出対象物に電流が流れるとコアに磁束が発生し、磁気センサにより、その磁束に対応する電圧（ホール電圧）を検出して電流値が算出されるようになっている。

特開２００６−７１４５７号公報

しかしながら、上記した電流センサにおいて、磁気センサに合わせてコアにおけるギャップの対向面積（コア端面の面積）を決定する必要があり、検出精度を向上させるためには、コアの断面積を大きくしなければならないという問題があった。なぜなら、検出精度を向上させるためには、磁気センサの電圧信号の変動を少なくすることが必要であり、そのためには、コアのギャップに配置される磁気センサを通過する磁束密度を均一にしなければならない。そして、磁気センサを通過する磁束密度を均一にするには、コアのギャップにおいて磁束密度が均一な領域を大きくしなければならないため、コアの断面積を大きくする必要があるのである。ところが、コアの断面積を大きくしてしまうと、電流センサの小型化及び低コスト化を図ることができない。

そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、検出精度を向上させつつ、小型化及び低コスト化を図ることができる電流センサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の一形態は、ギャップを備え環状に形成され、その環状内側に挿入される検出対象物に流れる電流により発生する磁束の磁路となるコアと、前記ギャップにて対向するコア端面間に配置され、前記ギャップ内の磁界の強さに応じた電気信号を発生する磁気センサとを有する電流センサにおいて、前記各コア端面は、テーパ形状をなし、互いに平行かつ正対するように形成されていることを特徴とする。

この電流センサでは、各コア端面がテーパ形状をなして互いに平行かつ正対しているため、コアの断面積を大きくすることなく、ギャップの対向面積（コア端面の面積）を大きくすることができる。これにより、コアのギャップにおける磁束密度のばらつきが小さくなり、磁束密度が均一となる領域が大きくなる。このため、磁気センサを通過する磁束密度が均一になる結果、検出精度を向上させることができる。

そして、コア端面の面積を大きくするために、従来のコア（コア端面がテーパ形状ではなくフラット形状のもの）のようにコアの断面積が大きくなることがない。このため、従来の電流センサに比べて、検出精度を向上させつつ、コアひいては電流センサの小型化、軽量化、及び低コスト化を図ることができる。

上記した電流センサにおいて、前記コア端面は、前記コアの幅方向に対して傾くテーパ形状をなしていることが望ましい。

このようにすることにより、電流センサの検出精度を向上させつつ、コアの幅方向における小型化を図ることができる。

上記した電流センサにおいて、前記コア端面は、前記コアの厚さ方向に対して傾くテーパ形状をなしていることが望ましい。

このようにすることにより、電流センサの検出精度を向上させつつ、コアの厚さ方向における小型化を図ることができる。

本発明に係る磁気センサによれば、上記した通り、検出精度を向上させつつ、小型化及び低コスト化を図ることができる。

第１の実施の形態に係る電流センサの全体構成を示す図である。 コアを示す図である。 従来のコアとの大きさの違いを示す図である。 第２の実施の形態に係る電流センサにおけるコアを示す図である。 第２の実施の形態におけるコアの変形例を示す図である。 第２の実施の形態におけるコアの変形例を示す図である。

以下、本発明の電流センサを具体化した実施の形態について、図面に基づき詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
まず、第１の実施の形態について説明する。そこで、第１の実施の形態に係る電流センサについて、図１を参照しながら説明する。図１は、第１の実施の形態に係る電流センサの全体構成を示す図である。
図１に示すように、本実施の形態に係る電流センサ１は、コア１０、ホール素子１２、筺体１４、電子部品１６、配線材１８などを有している。

コア１０は、略矩形の環状に形成されており、その環状の一部分が開放され、その開放端の間にギャップ２０（隙間）を備えている。コア１０は、内周面３８の内側に挿入される図１に点線で示したバスバーなどの検出対象物２２を取り囲んでおり、検出対象物２２内に流れる電流により発生する磁束の磁路となるものである。コア端面３０ａ，３０ｂは、テーパ形状をなし、互いに平行かつ正対している。なお、コア１０の詳細については後述する。

ホール素子１２は、コア１０のギャップ２０内に設けられている。より詳細には、ホール素子１２が、各コア端面３０ａ，３０ｂに対向するようにほぼ中間位置に配置されている。ホール素子１２は、ギャップ２０内の磁界の強さに応じた電気信号を発生する素子である。このホール素子１２からの電気信号に基づき電流値が検出される。なお、ホール素子１２は、本発明における「磁気センサ」の一例であり、磁気センサとしてはその他に、例えばホールＩＣなどを使用することもできる。

筐体１４は、樹脂などの非磁性体で形成され、上方開口した収容部２４と、側方開口した筒形状のコネクタ装着部２６とを備え、全体として略Ｌ字形状をなしている。収容部２４には、コア１０、ホール素子１２が設けられると共に、ホール素子１２の駆動制御回路を構成する各種の電子部品１６が複数個設けられている。ホール素子１２と各電子部品１６、および各電子部品１６同士は、配線材１８を介して接続されている。また、コネクタ装着部２６内に設けられたコネクタ端子２７と各電子部品１６とは、配線材１８を介して接続されている。

収容部２４には、検出対象物２２を貫通させるようにして挿入するための矩形状の挿通孔２８が設けられている。そして、挿通孔２８の外周壁２９にコア１０が嵌め合わされ、挿通孔２８を四角環状のコア１０が取り囲み、収容部２４の底面（不図示）に当接するようにコア１０が設けられている。

なお、収容部２４内には封止材（不図示）が充填され、封止材の硬化によって収容部２４内に設けられたコア１０、ホール素子１２、電子部品１６、及び配線材１８などが封止されている。これにより、コア１０、ホール素子１２、電子部品１６、及び配線材１８などが、収容部２４内において所定の位置にて固定される。

ここで、コア１０について、図２、図３を参照しながら詳細に説明する。図２は、コアの形状を示す図である。図３は、従来のコアとの大きさの違いを示す図である。
コア１０は、図２に示すように、ギャップ２０を備え四角環状に形成されている。そして、コア１０は、ギャップ２０に面するコア端面３０ａと３０ｂとが対向している。コア端面３０ａ，３０ｂは、コア１０の幅方向（Ｙ方向）に対して傾くテーパ形状をなしている。そして、コア端面３０ａ，３０ｂは、互いに平行かつ正対するように配置されている。これにより、ギャップ２０において、コア端面３０ａ，３０ｂの対向方向にコア１０の中心軸が位置（中心軸方向が一致）するとともに、中心軸が各コア端面３０ａ，３０ｂに直交するようになっている。

このような形状のコア１０では、コア端面３０ａ，３０ｂの面積（ギャップ２０の対向面積）が、コア端面がテーパ形状でない従来のコアに比べて大きくなる。このため、コア１０のギャップ２０における磁束密度のばらつきが小さくなり、磁束密度が均一となる領域が大きくなる。これにより、ホール素子１２を通過する磁束密度が均一になる結果、電流センサ１における検出精度を向上させることができる。

そして、コア端面の面積を大きくするために、従来のコア（コア端面がテーパ形状ではなくフラット形状のもの）のようにコアが大型化することがない。つまり、従来のコアの場合、コア端面の面積を大きくするためには、コアの断面積を大きくしなければならないので、図３に一点鎖線で示すようにコアが大型化してしまう。これに対して、コア１０では大型化することなく、コア端面３０ａ，３０ｂにおいて、図３に一点鎖線で示すコアにおけるコア端面と同等の面積を確保することができる。このため、電流センサ１では、従来の電流センサに比べて、検出精度を向上させつつ、小型化、軽量化、及び低コスト化を図ることができる。

なお、コア１０はほぼ正方形に形成されているが、この形状に限定されず、長方形に形成してもよい。また、コア１０は四角環状に形成されているが、これに限定されず、円環状に形成することもできる。

上記のように構成された電流センサ１は、以下のようにして検出対象物２２に流れる電流の電流値を検出する。
まず、導電部材（例えば、バスバー）などの検出対象物２２を収容部２４の挿通孔２８内に貫通させるようにして挿入する。
次に、電流センサ１の検出信号を入力する外部装置（不図示）のコネクタ（不図示）をコネクタ装着部２６に挿入し、外部装置とコネクタ装着部２６内のコネクタ端子２７とを接続する。

そして、検出対象物２２に電流を流すと、その電流によってコア１０内に磁束が発生し、その磁束によってギャップ２０に形成された磁路中に配置されたホール素子１２は、当該磁束に対応したホール効果による電圧（ホール電圧）を発生する。このとき、ギャップ２０において、磁束密度が均一な領域が拡大されているため、ホール素子１２を通過する磁束密度が均一となる。

ここで、ホール素子１２が発生するホール電圧は、コア１０内の磁束に対応するだけでなく、その磁束を発生させた検出対象物２２に流れる電流の電流値にも対応するため、その電流値の検出信号といえる。そのため、ホール素子１２の発生したホール電圧を検出信号として外部装置へ出力する。
このようにして電流センサ１は、環状のコア１０に挿通された検出対象物２２に流れる電流の電流値を、コア１０のギャップ２０内に設けられたホール素子１２によって検出する。そして、ホール素子１２を通過する磁束密度が均一であるため、検出対象物２２に流れる電流の電流値を精度良く検出することができる。

以上、詳細に説明したように第１の実施の形態に係る電流センサ１によれば、各コア端面３０ａ，３０ｂがテーパ形状をなして互いに平行かつ正対しているため、コア１０の断面積を大きくすることなく、ギャップ２０の対向面積（コア端面３０ａ，３０ｂの面積）を大きくすることができる。そのため、コア１０のギャップ２０における磁束密度のばらつきが小さくなり、磁束密度が均一となる領域が大きくなる。これにより、ギャップ２０に配置されたホール素子１２を通過する磁束密度が均一になるので、電流値の検出精度を向上させることができる。

そして、電流センサ１では、コア端面３０ａ，３０ｂの面積を大きくするために、従来のコアのようにコアの断面積が大きくなることがない。従って、電流センサ１によれば、従来の電流センサに比べて、検出精度を向上させつつ、小型化、軽量化、及び低コスト化を図ることができる。

［第２の実施の形態］
次に、第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態は、第１の実施の形態と基本的な構成はほぼ同じであるが、コアの形状が異なっている。そのため、以下では、第１の実施の形態と同じ構成については図面に同じ符号を付してその説明を適宜省略し、第１の実施の形態との相違点について説明する。そこで、第２の実施の形態に係る電流センサについて、図４を参照しながら説明する。図４は、第２の実施の形態に係る電流センサにおけるコアの形状を示す図である。

図４に示すように、第２の実施の形態では、コア４０において、コア端面３０ａ，３０ｂが、コア１０の厚さ方向（Ｚ方向）に対して傾くテーパ形状をなしている。具体的に、コア４０は、コア端面３０ａを備え上側に位置する上側コア４０ａと、コア端面３０ｂを備え下側に位置する下側コア４０ｂとで構成され、上側コア４０ａと下側コア４０ｂとが厚さ方向（Ｚ方向）でずれて配置されている。これにより、コア端面３０ａ，３０ｂが、第１の実施の形態と同様に、互いに平行かつ正対するようになっている。つまり、ギャップ２０において、コア端面３０ａ，３０ｂの対向方向にコア１０の中心軸が位置（中心軸方向が一致）するとともに、中心軸が各コア端面３０ａ，３０ｂに直交するようになっている。

なお、上側コア４０ａと下側コア４０ｂとは単純に接続されており、その接続部分には段差が形成されている。そして、上側コア４０ａと下側コア４０ｂの接続部分における断面積は、他の部分における断面積より大きいか等しくなるようにされている。

このような形状のコア４０においても、第１の実施の形態と同様に、コア端面３０ａ，３０ｂの面積（ギャップ２０の対向面積）が、コア端面がテーパ形状でない従来のコアに比べて大きくなる。このため、コア４０のギャップ２０における磁束密度のばらつきが小さくなり、磁束密度が均一となる領域が大きくなる。これにより、ホール素子１２を通過する磁束密度が均一になる結果、電流センサにおける検出精度を向上させることができる。そして、コア４０を使用した第２の実施の形態に係る電流センサでも、従来の電流センサに比べて、検出精度を向上させつつ、小型化、軽量化、及び低コスト化を図ることができる。

ここで、コア４０の変形例について、図５、図６を参照しながら説明する。図５及び図６は、コアの変形例を示す図である。コア４０の第１変形例は、図５に示すように、コア端面３０ａを備え上側に位置する上側コア４０ａと、コア端面３０ｂを備え下側に位置する下側コア４０ｂとで構成され、上側コア４０ａと下側コア４０ｂとの接続部がテーパ形状とされている。具体的には、接続部において、下側コア４０ｂが上側コア４０ａに向かって断面積が拡大していくテーパ形状となっている。

また、コア４０の第２変形例でも、図６に示すように、コア端面３０ａを備え上側に位置する上側コア４０ａと、コア端面３０ｂを備え下側に位置する下側コア４０ｂとで構成され、上側コア４０ａと下側コア４０ｂとの接続部がテーパ形状とされているが、第１変形例とは接続部の形状が異なっている。具体的には、接続部において、上側コア４０ａが下側コア４０ｂに向かって断面積が縮小していくテーパ形状となっている。

これら変形例においても、上側コア４０ａと下側コア４０ｂの接続部分における断面積は、他の部分における断面積より大きいか等しくなるようにされている。また、コア端面３０ａ，３０ｂは、互いに平行かつ正対するように配置され、ギャップ２０において、コア端面３０ａ，３０ｂの対向方向にコア４０の中心軸が位置（中心軸方向が一致）している。これにより、これらの変形例のコアを使用した場合であっても、従来の電流センサに比べて、検出精度を向上させつつ、小型化、軽量化、及び低コスト化を図ることができる。

なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。例えば、上記した第１の実施の形態では、コア１０において、コア端面３０ａ側をＹ方向にずらしているが、これとは逆にコア端面３０ｂ側をＹ方向にずらしてもよい。

また、上記した第２の実施の形態では、コア４０おいて、コア端面３０ａが上側、コア端面３０ｂが下側に位置しているが、これとは逆にコア端面３０ａが下側、コア端面３０ｂが上側に位置していてもよい。

１ 電流センサ
１０ コア
１２ ホール素子
２０ ギャップ
３０ａ，３０ｂ コア端面
４０ コア
４０ａ 上側コア
４０ｂ 下側コア

Claims (3)

1. ギャップを備え環状に形成され、その環状内側に挿入される検出対象物に流れる電流により発生する磁束の磁路となるコアと、前記ギャップにて対向するコア端面間に配置され、前記ギャップ内の磁界の強さに応じた電気信号を発生する磁気センサとを有する電流センサにおいて、
   前記各コア端面は、テーパ形状をなし、互いに平行かつ正対するように形成されている
   ことを特徴とする電流センサ。
2. 請求項１に記載する電流センサにおいて、
   前記コア端面は、前記コアの幅方向に対して傾くテーパ形状をなしている
   ことを特徴とする電流センサ。
3. 請求項１又は請求項２に記載する電流センサにおいて、
   前記コア端面は、前記コアの厚さ方向に対して傾くテーパ形状をなしている
   ことを特徴とする電流センサ。

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