JP2012502295A - 広範囲のオープンループ電流センサー - Google Patents

Abstract

本発明は、磁心（５）および測定用の空隙（８）を備える磁気回路（３）が内部に設けられたマウントケージング（２）を備え、磁気検出器（４）が、磁気回路（３）を貫通するケーブル内を流れる電流によって励起される磁場を測定するために測定用の空隙（８）の内部に設けられているオープンループ電流センサー（１）に関する。
センサー（１）はまた、ケージング（２）と磁気回路（３）の末端部（６）との間に、測定用の空隙の幅を一定に維持するための接続システム（１８）を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電流センサーの一般的な技術分野に関し、より詳細にはオープンループ電流センサーの分野に関する。

通常は、上記のセンサーは、環状の磁心および空隙を備える磁気回路と、この空隙内に設けられている、ホール効果の測定セルを有する磁気検出器とが共に内部に設けられているケージングを備える。このタイプのセンサーは、例えばバッテリーから送られる電流を測定するために、自動車によく用いられる。このタイプのセンサーでは、温度に由来する磁心の膨張により磁気回路の開放部が変形し、空隙の幅が変化する。このような理由により、電流測定の精度は、温度が上昇すると低下する。

特許文献ＷＯ２００４／０７７０７８には、この問題を解消するための電流センサーが記載されている。このセンサーは非磁性材料からなるストラップをさらに備えており、このストラップは空隙の両側で磁心に溶接されている。しかし、この方法には、空隙の幾何的形状を維持するための付属部品の取り付けを要するという欠点がある。さらに、この付属部品の溶接により、溶接部における磁心の部分的な減磁が生じる。この減磁は、溶接後の熱処理により概ね解消され得るが、これはコストに悪影響を及ぼす。また、このストラップは、測定用の空隙に磁気検出器を配置する際に、磁気検出器の取り付けの妨げとなる。

本発明の第１の主題は、広い動作温度範囲にわたる正確な電流の測定を提供する、シンプルで低コストのオープンループ電流センサーを提案することにより、従来技術の不利益を解消することにある。

この目的を達成するために、本発明は、電流センサーを設けるためのケージングと、測定用の空隙の境界を定める２つの対向する端を有する少なくとも２つの末端部を含む磁心を備える磁気回路と、測定セルを含み、磁気回路を貫通するケーブル内を流れる電流によって励起される磁場を測定するために測定用の空隙の内部に設けられている磁気検出器と、を備える電流センサーを提案する。本発明のこの主題によれば、電流センサーは、磁心の各末端部とケージングの間に、測定用の空隙の幅を実質的に一定に維持して末端部間の近づいたり離れたりする（rapprochement/ecartement）接続を安定させる少なくとも１つの接続システムを備える。

さらに、本発明の電流センサーはまた、以下の追加的な特徴の少なくとも１つを有していてもよい。
・磁心の末端部とケージングとの間の少なくとも１つの接続システムは、磁心の末端部およびケージングにそれぞれ設けられた、またはその逆に設けられた、雄型接続部材および雌型接続部材を備える。
・雄型接続部材および雌型接続部材は、実質的に補完的な形状を有する。
・雄型接続部材は、少なくとも１つの突起、ピンまたはつまみから構成され、雌型接続部材は、少なくとも１つの凹み（logement）、孔（cavite）または切り欠き（reservation）から構成される。
・雄型接続部材は少なくとも１つの実質的に三角形の断面を有し、雌型接続部材は雄型接続部材の断面を補完する少なくとも１つの断面を有する。
・センサーは、磁心とケージングとの間に、接続システムと組み合わさってケージングに対する磁気回路の位置決めを確保するための位置決め手段を備える。
・位置決め手段は、少なくとも接続システムにより形成される。
・ケージングは、熱膨張が小さい材料、好ましくはガラス繊維強化ポリアミドから作製されている。

また、特許文献ＷＯ２００４／０７７０７８に記載されている電流センサーには、オープンループ技術の採用に由来する別の欠点がある。自動車に適用する場合、このタイプのセンサーにより測定可能な典型的な最大の強度は、センサーの許容体積および磁心の許容寸法の見地から、１００Ａオーダーである。この値以上になると、磁心の飽和現象が発生し、測定の非線形性が生じる。

したがって、本発明の第２の主題は、電流測定範囲の拡大された電流センサーを提案することにより従来技術の欠点を解消することにある。

この目的を達成するために、本発明は、電流センサーを設けるためのケージングと、測定用の空隙の境界を定める２つの対向する端を有する少なくとも２つの末端部を含む磁心を備える磁気回路と、測定セルを備え、測定用の空隙の内部に設けられている磁気検出器と、を備える電流センサーを提案する。本発明のこのような別の主題によれば、電流センサーの磁気回路は、磁心の断面を、磁心の平均断面Ｓｏの１０％から９０％だけ減少させることにより得られた少なくとも１つの第２の空隙をさらに備え、検知器によって測定される磁束密度は、第１の電流領域、いわゆる小電流領域では第１の係数に基づいて線形的に変化し、第１の電流領域に連続する第２の電流領域、いわゆる大電流領域では第２の係数に基づいて線形的に変化し、第２の係数は第１の係数よりも小さい。

なお、上記の第２の空隙は、本発明の第１の主題に基づかない電流センサーに形成されていてもよい。

有利には、第２の空隙により、センサーの測定範囲を大幅に増大させることができ、測定用の空隙に加えて第２の空隙を付与することにより、例えば３００Ａまで増大させ得る。

さらに、本発明の第２の主題の電流センサーは、以下の追加的な特徴の少なくとも１つを有していてもよい。
・各第２の空隙は、部分スリット、貫通孔または止まり孔の形状を有する。
・測定用の空隙と第２の空隙とは磁心上に実質的に一定間隔で配置されている。

種々の他の特徴は、非限定的な例としての本発明の主題の実施形態を示す、添付の図面を参照しながら以下に各々記載している。

図１は、方向Ｉから見たときの、本発明の第１の主題の電流センサーの分解図である。 図２は、方向Ｉとは反対である方向IIから見たときの、図１のセンサーの図である。 図３は、図１のセンサーの部分俯瞰図である。 図４は、方向Ｉから見たときの、本発明の第２の主題の電流センサーの分解図である。 図５Ａから図５Ｄは、本発明の第２の主題の電流センサーの磁気回路の種々の変形例を示す。 図６は、部分スリットから構成される第２の空隙を備える磁心を有する電流センサーの測定用の空隙における磁束密度のグラフである。

図１および図２は、本発明の第１の主題の電流センサー１の一例を示す。この実施形態では、電流センサー１は、図示していない自動車のバッテリーの供給ケーブルを流れる電流を測定し、特にバッテリー制御管理システムに情報を供給することを目的にしている。

この電流センサー１は、磁気回路３および磁気検出器４が内部に設けられたケージング２を備える。

磁気回路３は、内部で磁場が循環し得るように、ループを形成している。磁気回路３は、測定用の空隙８の境界を定める２つの対向する端すなわち横断面７を有する少なくとも２つの末端部６を含む磁心５を備える。測定用の空隙の幅ｅ（図３）は、２つの端７の間の平均の距離として規定される。

実施形態のこの例では、磁心５は、円形の断面を有し、母線の軸（axe de generatrice）を有する開放された環状体（tore ouvert）の形状を有する。有利には、このことにより、磁心５を所定の棒状体から作製することが可能となり、製造コストを小さくできる。

磁心５が他の幾何的形状を有していてもよいことに留意されたい。例えば、磁心５は、実質的に円形、方形または楕円形であってもよい。同様に、例えば、磁心５は、実質的に円形または方形の断面を有していてもよい。また、磁心５は、１つの部材であってもよく、連続または非連続であり得る少なくとも２つの部分から構成されていてもよい。場合に応じて、磁心５は成型、機械加工または金属シートの積層（empilage de toles）によって得られ得る。

また、磁心５は、非常に低い保磁場を有する軟磁性材料から作製されている。例えば、磁心５は、ＦｅＮｉ合金から作製されていてもよく、なぜなら、この材料は、外部磁場の擾乱に対するイミュニティを向上させ、センサーのヒステリシスを低減させる、磁束の良導体であるためである。

磁気検出器４は、測定用の空隙８内に設けられ、処理手段に接続された少なくとも１つの測定セル、例えばホール効果の測定セルを備える。すなわち、検出器４は、測定対象の電流によって励起された磁場を測定する。

ケージング２は側壁１０によって境界が定められた底部９を備え、側壁１０は底部９に実質的に直角に立っている。慣習に従って、内側を、底面９における側壁１０が立っている側とし、外側を、その反対側とする。

ケージング２は、底部９の両側に配置されている電気的接続手段１１を備え、この電気的接続手段１１は、図示していないコネクターに取り付けられてバッテリー制御管理システムに接続されるためのものである。コネクターが電気的接続手段１１に取り付けられると、当業者に知られた通常の手段を介して、磁気検出器４の処理手段とも電気的に接続される。

ケージング２はまた、底部９内に設けられ、内側に実質的に直角にかつ底部９から立つ囲い１３によって境界が定められている貫通したオリフィス（ouverture debouchante）１２を備える。

実施形態のこの例では、オリフィス１２は、オリフィス１２から両側に突出しているブラケット１５の境界を定める２つのラジアル壁（parois radiales）１４によって仕切られている。ブラケット１５は、内側から囲いの自由端まで、および、外側からブラケットの端１６までにわたって広がっている。ブラケット１５はまた、ブラケットの端１６の近傍に配置されている貫通孔（alesage debouchant）１７を備える。

供給ケーブルには、バッテリーに接続されるための平坦な舌部が設けられ、舌部の端に貫通孔が設けられている。この舌部はオリフィス１２を貫通し、その結果、センサーは平らな舌部すなわち供給ケーブルを流れる電流を測定し得る。すなわち、検出器４は、磁気回路３を貫通する供給ケーブル内を流れる電流によって励起される磁場を測定する。少なくとも１つのラジアル壁１４は、供給ケーブルの舌部を電流センサー１を貫いて移動させるガイドとなり、かつ平坦な舌部の貫通孔が貫通孔１７と実質的に合致するように舌部を配置するためのものである。有利には、供給ケーブルの舌部と電流センサー１とは、バッテリーの端子板に一緒に取り付けられることができ、これにより、バッテリーに対する供給ケーブルおよびセンサーの振動に影響されにくい安定した配置が可能となる。

本発明によれば、電流センサー１は、磁心５の各端末部６とケージング２の間において少なくとも１つの接続システム１８を備える。このまたはこれらの接続システム１８は、末端部間の近づいたり離れたりする（rapprochement/ecartement）接続を安定させ、磁心５の熱膨張に関係なく測定用の空隙の幅ｅを実質的に一定に維持するためのものである。有利には、これにより、磁気検出器４の測定セルによる磁心５の磁束密度の測定は、磁心５の熱膨張に依存しない。このことは、実質的に温度に依存しない電流の測定を可能にする。

有利には、各接続システム１８は、各末端部６上であって、その境界を定めている横断面７の近傍に設けられている。測定用の空隙の幅ｅの狭さを考慮して、接続システム１８は、互いに近接した状態で、横断面７の両側に配置されている。

例えば、非限定の態様では、各末端部６とケージング２との間において、少なくとも１つの接続システム１８は、磁心５の各末端部６およびケージング２にそれぞれ設けられた、またはその逆に設けられた、雄型接続部材１９および雌型接続部材２０を備えていてもよい。雄型接続部材１９は、例えば、少なくとも１つの突起、ピンまたはつまみから構成されていてもよく、雌型接続部材２０は、例えば、凹み（logement）、孔（cavite）または切り欠き（reservation）から構成されていてもよい。この場合、雄型接続部材１９および雌型接続部材２０は、嵌合できるよう補完的な形状を有することが好ましい。

図３に示される実施形態の好ましい例では、ケージング２は、２つの接続システム１８を備え、各々がケージング２に設けられた雄型接続部材１９および磁心５に設けられた雌型接続部材２０から構成されている。各雄型接続部材１９は、底部９から実質的に直角に立つ、例えば実質的に三角形の突起であり、各雌型接続部材２０は、磁心６の外面から磁心５の環状体の母線の軸に平行な方向に延び、かつ、例えば雄型接続部材１９の断面を実質的に補完する断面を有する溝である。

上記のようにすれば、熱膨張による空隙の幅ｅの変化は、ケージング２の膨張に由来する雄型接続部材１９間の距離の変化に一致するので、磁気回路３の機械的応力は低減し、ヒステリシスの効果は限定的となる。雄型接続部材１９間の距離の範囲を制限する処理により、電流の測定の誤差が、自動車の電流の測定に要求される精度に適合した範囲内に納まる。

各末端部６とケージング２との間の接続が、本発明の第１の主題の他のタイプの接続システム１８を用いて達成され得ることに留意されたい。例えば、ケージング２の両側に設けられた２つの近接した雄型接続部材１９および各末端部６にそれぞれ設けられた２つの近接していない雌型接続部材２０を備える接続システム１８によりこの接続は達成できる。この接続はまた、雄型接続部材１９および雌型接続部材２０のいずれも備えていない接続システム１８、例えば磁心５に取り付けられた固定装置によっても達成できる。これらの例は、非限定的なものであることに留意されたい。

磁心５は、囲い１３の周囲で保持（loge）され、底部９に支持される。電流センサー１は、磁心５とケージング２との間に、有利には接続システム１８と組み合わさってケージング２に対する磁気回路３の安定した再現性のある位置決めを可能にする位置決め手段２１を有する。この目的のために、位置決め手段２１は、接続システム１８と組み合わさって、ケージング２に対する磁心５の動きを抑える。

図１に示されるように、位置決め手段２１は、磁心５を支持し、磁心５を固定（bloquer）するための突起１９の正反対でケージング２上に配置されている少なくとも１つのエレメントから構成されていてもよい。これは、ひだ、突起またはつまみであり得る。

位置決め手段２１は、当業者に知られたごく普通の手段から構成されていてもよく、例えば囲い１３と磁心５とを接触させてもよい。

一実施形態では、位置決め手段２１は、少なくとも接続システム１８により構成されている。この場合、接続システム１８は測定用の空隙の幅ｅを実質的に一定に維持するとともにケージング２に対する磁気回路３の正確な位置決めをするのに有利に用いられる。この目的のために、各末端部とケージング２との間の接続は、例えばケージング２に設けられたピンまたはつまみ、ならびに磁心５に設けられてピンまたはつまみと嵌合するオリフィスから各々が構成される接続システム１８であってもよい。

実施形態の上記の例では、底部９、側壁１０、電気的接続手段１１、ブラケット１５および雄型接続部材１９は、射出成型されたプラスチックにより単一部品に形成される。有利には、ケージング２の熱膨張および雄型接続部材１９間の距離の変化すなわち測定用の空隙の幅ｅの変化を最低限に抑えられるように、ガラス繊維強化ポリアミドなどの低い熱膨張係数を有するプラスチックが使用される。

なお、少なくとも底部９、側壁１０および囲い１３によって境界が定められた部分は、センサーが組み立てられると注型樹脂で満たされるようになっており、電流センサー１の密封を確実に行い、それぞれの要素の位置の固定を確実に行う。

図４は、本発明の第２の主題の電流センサー１の例を示す。

実施形態のこの例では、全般的な理解を容易にするために、本発明の第１の主題と第２の主題の間の相違のみを以下で説明する。したがって、説明がないいずれの特徴も、図１から図３に示される実施形態の例および図４に示される実施形態の例から同様に実現されているものとみなす。

本発明によれば、磁気回路３は、電流センサーの飽和を遅らせ、その測定範囲を広げる少なくとも１つの第２の空隙２２をさらに備える。各空隙２２は、磁心５の横断面を、磁心５の平均横断面Ｓｏの１０％から９０％だけ減少させることにより得られる。換言すれば、磁心５は、第２の空隙２２の境界を定める、少なくとも１つの物体の狭窄部または削減部を有する。

図５Ａから図５Ｄは、本発明の第２の主題の電流センサー１の磁気回路３の種々の変形例を示し、異なる形態に作製された第２の空隙２２を備える。これら全ての変形例では、磁気回路３は、測定用の空隙８の境界を定める２つの対向する端７を有する２つの末端部６を含む磁心５を備える。

図５Ａにおける第２の空隙２２は、台形の部分スリットから構成され、磁心５の環状体の母線の軸について測定用の空隙８とは反対側に配置されている。この台形の部分スリットは、磁心５を形成する環状体の母線の軸に直交する平面において実質的に台形の断面を有する。

実施形態のこの例では、第２の空隙２２は、磁心５の環状体の母線の軸について測定用の空隙８とは反対側に配置されている。

図５Ｂは、各々が環状体の母線の軸に直交する平面において実質的に台形の断面を有する台形の部分スリットを構成している、２つの第２の空隙２２を備える点で図５Ａとは異なる。測定用の空隙８および２つの第２の空隙２２は、磁心５の円周上に一定間隔で配置されている。

図５Ｃにおける第２の空隙２２は、磁心５を形成する環状体の母線の軸に直交する平面において実質的に円形の断面を有する穴から構成され、磁心５の環状体の母線の軸について測定用の空隙８とは反対側に配置されている。これは、貫通孔であってもよく、止まり孔であってもよい。

図５Ｄは、各々が、環状体の母線の軸に直交する平面において実質的に円形の断面を有する貫通孔または止まり孔を構成している、２つの第２の空隙２２を備える点で図５Ｃとは異なる。測定用の空隙８および２つの第２の空隙２２も、やはり磁心５の円周上に一定間隔で配置されている。

部分スリットは、いかなるタイプの形状を有していてもよく、実施形態の上記の例は説明のためのものに過ぎないことに留意されたい。

同様に、部分スリットは、完全スリットと完全スリットに付加された部分とを組み合わせて得てもよい。付加された部分はスペーサー、例えば非磁性材料または磁性材料のスペーサーであってもよく、センサー１を取り付けた後に完全スリット中に収容されるのに適したケージングの突起部であってもよい。

図６は、Ｘ軸の供給ケーブル内を流れる電流強度Ｉに対する、Ｙ軸の測定用の空隙８における磁気回路５の磁束密度Ｂを示すグラフであり、図５Ａの磁気回路３を備える電流センサー１のものである。

強度が低いときは、磁束密度は測定電流に対応して急激に増加することが見て取れる。この現象は、部分スリットに由来する。オフセットが全くないこともまた見て取れるが、このことは、外部磁場に対するセンサーの感度が低いことを示す。第２の空隙２２がなければ、上記外部磁場は、上記磁場に対するセンサー１の向きに依存するオフセットの発生をもたらす。この現象は、例えば５Ａ未満の低い電流を測定するときに、実質的な精度の低下をもたらす。

第２の空隙２２が磁気的に実現したのは第１の領域の飽和であり、これは、磁心５の残りの部分と比べてその断面が小さいことに由来する。第２の空隙２２のこの飽和は、部分スリットの断面と磁心５の平均の断面Ｓｏとの間の比に依存し、グラフにおける飽和点Ｓ_Iに対応している。検出器４により測定された磁束密度は、第１の電流領域、例えば０から５０Ａの範囲のいわゆる小電流領域（faible）では、第１の係数に基づいて線形的に変化している。

飽和後は、飽和した領域の透磁率は真空の透磁率と同じであるとみなせるので、第２の空隙２２は完全スリットとして作用する。このため、センサーは、第２の空隙２２の飽和点Ｓ_Iと磁心５の残りの部分の飽和点Ｓ_IIとの間で線形的な作用を有する。したがって、検出器４により測定された磁束密度は、例えば５０から３００Ａとなる飽和点Ｓ_Iと飽和点Ｓ_IIとの間である電流の第２の電流領域では、第２の係数に基づいて線形的に変化する。線形変化の第２の係数は、変化の第１の係数よりも小さいことに留意されたい。第２の空隙２２の境界を定める狭窄部の断面の値は、第１の電流領域の大きさを規定することに留意されたい。

電流の領域にわたって測定される線形性は、当該領域にわたって測定された磁束密度の値と、全ての値を最もよく近似した直線による当該領域での線形補間に基づいて得られた値との間の最大の誤差として規定されることに留意されたい。この誤差が、測定された磁束密度の値の１％未満であれば、測定領域は線形であると評価する。

すなわち、測定された磁束密度は、全測定領域にわたって測定された電流について全体的に線形であり、第２の空隙２２の飽和点Ｓ_Iに対応して傾きは折れ曲がる。電流センサー１には上記の磁気回路３が設けられ、電気信号の処理回路と組み合わされるため、例えば５０Ａ未満の低い強度における良好な精度とともに、例えば０から３００Ａという拡大された測定領域という利益がある。

第２の空隙２２を磁心５の断面の狭窄部の形状で作製すると、増大した測定領域という利益を維持しながらも、外部磁場に対する感度を実質的に低減できる。

本発明は、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変更が可能であり、上記および図示の例に限定されない。

Claims (12)

1. 電流センサー（１）であって、
   ・前記電流センサー（１）を設けるためのケージング（２）と、
   ・測定用の空隙（８）の境界を定める２つの対向する端（７）を有する少なくとも２つの末端部（６）を備える磁心（５）を備える磁気回路（３）と、
   ・測定セルを備え、前記磁気回路（３）を貫通するケーブル内を流れる電流によって励起される磁場を測定するために前記測定用の空隙（８）の内部に設けられている磁気検出器（４）と、を備え、
   前記磁心（５）の各末端部（６）と前記ケージング（２）の間に、前記測定用の空隙（８）の幅ｅを実質的に一定に維持して前記末端部（６）間の近づいたり離れたりする（rapprochement/ecartement）接続を安定させる少なくとも１つの接続システム（１８）を備えることを特徴とする、電流センサー（１）。
2. 前記磁心（５）の末端部（６）と前記ケージング（２）との間の少なくとも１つの接続システム（１８）は、前記磁心（５）の前記末端部（６）および前記ケージング（２）にそれぞれ設けられた、またはその逆に設けられた、雄型接続部材（１９）および雌型接続部材（２０）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の電流センサー。
3. 前記雄型接続部材（１９）および前記雌型接続部材（２０）は、実質的に補完的な形状を有することを特徴とする、請求項２に記載の電流センサー。
4. 前記雄型接続部材（１９）は、少なくとも１つの突起、ピンまたはつまみから構成され、前記雌型接続部材（２０）は、少なくとも１つの凹み（logement）、孔（cavite）または切り欠き（reservation）から構成されていることを特徴とする、請求項２または３に記載の電流センサー。
5. 前記雄型接続部材（１９）は少なくとも１つの実質的に三角形の断面を有し、前記雌型接続部材（２０）は前記雄型接続部材の断面を補完する少なくとも１つの断面を有することを特徴とする、請求項２〜４のいずれか一項に記載の電流センサー。
6. 前記センサーは、前記磁心（５）と前記ケージング（２）との間に、前記接続システム（１８）と組み合わさって前記ケージング（２）に対する前記磁気回路（３）の位置決めを確保可能な位置決め手段（２１）を備えることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の電流センサー。
7. 前記位置決め手段（２１）は、少なくとも前記接続システム（１８）により形成されていることを特徴とする、請求項６に記載の電流センサー。
8. 前記ケージング（２）は、熱膨張が小さい材料、好ましくはガラス繊維強化ポリアミドから作製されていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の電流センサー。
9. 前記磁気回路（３）は、前記磁心（５）の断面を、前記磁心（５）の平均断面Ｓｏの．．．％から．．．％だけ減少させることにより得られた少なくとも１つの第２の空隙（２２）を備え、前記検知器（４）によって測定される磁束密度は、第１の電流領域、いわゆる小電流領域では第１の係数に基づいて線形的に変化し、前記第１の電流領域に連続する第２の電流領域、いわゆる大電流領域では第２の係数に基づいて線形的に変化し、前記第２の係数は前記第１の係数よりも小さいことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の電流センサー。
10. 前記第２の空隙（２２）は、磁束密度の線形的な変化の前記第２の係数を規定する選択された量だけ前記磁心の断面を減少させることにより境界が定められ、前記磁心（５）の一部の断面Ｓｏを１０％から８０％の範囲で減少させることにより得られることを特徴とする、請求項９に記載の電流センサー。
11. 各第２の空隙（２２）は、部分スリット、貫通孔、または止まり孔により構成されることを特徴とする、請求項１０に記載の電流センサー。
12. 前記測定用の空隙（８）と前記第２の空隙（２２）とは前記磁心（５）上に実質的に一定間隔で配置されていることを特徴とする、請求項９〜１１のいずれか一項に記載の電流センサー。

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