JP2014013151A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】被測定電流が同じ大きさであれば従来と比較して大きな磁界を感磁素子に印加することができる電流センサを提供する。
【解決手段】電流導通部１０は、第１及び第２の磁性体３０Ａ,３０Ｂの内側において前記仮想平面を貫通する内側貫通部１１を複数有し、また第１及び第２の磁性体３０Ａ,３０Ｂの外側において前記仮想平面を貫通する外側貫通部１２を複数有する。複数の内側貫通部１１及び複数の外側貫通部１２は、共通する１本の電流経路に含まれる。複数の内側貫通部１１に流れる電流が前記仮想平面を貫通する向きは同じであり、複数の外側貫通部１２を流れる電流が前記仮想平面を貫通する向きも同じであり、内側貫通部１１及び外側貫通部１２を流れる電流は前記仮想平面を貫通する向きが互いに逆である。複数の内側貫通部１１に流れる電流の発生する磁界は、ホールＩＣ２０の存在位置（感磁面位置）で互いに強め合ってホールＩＣ２０に印加される。
【選択図】図２

Description

本発明は、感磁素子を用いてバスバーに流れる電流を測定する電流センサに関する。

ホール素子等の感磁素子を用いてバスバーに流れる電流（被測定電流）を非接触状態で検出する電流センサとして、空隙を有するリング状の磁気コアと、空隙に配置された感磁素子とを有する磁気比例式のものが従来から知られている。一方、リング状の磁気コアを用いないコアレス電流センサも知られている。例えば下記特許文献１のコアレス電流センサでは、外部からの磁界の影響を受けて電流検出精度が悪化しやすいため、磁気遮蔽のための磁性体を感磁素子及びバスバーを囲むように設けている。

特開２０１０−１２７８９６号公報

従来のコアレス電流センサでは、被測定電流が小さい場合に、感磁素子に印加される磁界が不足して十分なセンサ出力を得られないという問題があった。

本発明はこうした状況を認識してなされたものであり、その目的は、被測定電流が同じ大きさであれば従来と比較して大きな磁界を感磁素子に印加することができる電流センサを提供することにある。

本発明のある態様は、電流センサである。この電流センサは、
磁気遮蔽用の磁性体と、前記磁性体の内側に位置する感磁素子と、被測定電流の経路を成す電流導通部とを備え、
前記感磁素子又はその近傍を通る所定の仮想平面を定義すると、前記電流導通部は、前記磁性体の内側において前記仮想平面をそれぞれ貫通する複数の貫通部を有し、前記複数の貫通部が共通する１本の電流経路に含まれ、かつ各々の貫通部を流れる被測定電流の発生する磁界が前記感磁素子の存在位置で強め合う関係にある。

前記電流導通部は、前記磁性体の内側において前記仮想平面を一方側から他方側に貫通し、前記仮想平面の他方側において前記磁性体の内側から外側に延び、前記磁性体の外側において前記仮想平面を他方側から一方側に貫通し、前記仮想平面の一方側において前記磁性体の外側から内側に延び、前記磁性体の内側において前記仮想平面を一方側から他方側に再度貫通する１本の導体部を含んでもよい。

前記電流導通部は前記磁性体の内側と外側に跨って周回する周回部を含み、前記周回部が前記複数の貫通部を有してもよい。

前記電流導通部が前記磁性体に巻き付けられていてもよい。

前記電流導通部が基板上の導体パターンを含み、前記導体パターンが前記磁性体の内側と外側に跨って複数ターン周回していてもよい。

前記基板は、前記磁性体が貫通する孔部を有してもよい。

前記磁性体は相互に対向する第１及び第２の磁性体を含み、前記第１の磁性体の残留磁化により発生する磁界と前記第２の磁性体の残留磁化により発生する磁界とが弱め合う位置に前記感磁素子が存在してもよい。

前記第１及び第２の磁性体の保磁力が互いに等しい又は近似してもよい。

前記第１及び第２の磁性体はそれぞれ形状が半筒状であって端縁同士が空隙を介して対向していてもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法やシステムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、各々の貫通部を流れる被測定電流の発生する磁界が感磁素子の存在位置で強め合うため、被測定電流が同じ大きさであれば従来と比較して大きな磁界を感磁素子に印加することができる。

本発明の実施の形態１に係る電流センサの概略斜視図。 図１に示す電流センサの正断面図であり、電流導通部１０に通電しているときの磁束の流れを示す説明図。 図１に示す電流センサの正断面図であり、電流導通部１０に通電していないときの磁束の流れを示す説明図。 電流導通部１０のターン数（周回数）とホールＩＣ２０の感磁面位置における磁束密度の関係を示すグラフ。 本発明の実施の形態２に係る電流センサの概略斜視図。 図５に示す電流センサの正断面図であり、電流導通部１０に通電しているときの磁束の流れを示す説明図。 図５に示す電流センサの正断面図であり、電流導通部１０に通電していないときの磁束の流れを示す説明図。 本発明の実施の形態３に係る電流センサの概略斜視図。 図８に示す電流センサの分解斜視図。 図８に示す電流センサの正断面図であり、電流導通部１０に通電しているときの磁束の流れを示す説明図。 図８に示す電流センサの正断面図であり、電流導通部１０に通電していないときの磁束の流れを示す説明図。 本発明の実施の形態４に係る電流センサの正断面図であり、電流導通部１０に通電しているときの磁束の流れを示す説明図。 同電流センサの正断面図であり、電流導通部１０に通電していないときの磁束の流れを示す説明図。 本発明の実施の形態５に係る電流センサの分解斜視図。 図１４に示す電流センサの正断面図であり、電流導通部１０に通電しているときの磁束の流れを示す説明図。 図１４に示す電流センサの正断面図であり、電流導通部１０に通電していないときの磁束の流れを示す説明図。 本発明の実施の形態６に係る電流センサの正断面図であり、電流導通部１０に通電しているときの磁束の流れを示す説明図。 同電流センサの正断面図であり、電流導通部１０に通電していないときの磁束の流れを示す説明図。 感磁素子としてＭＲ素子ブリッジ７を用いて、磁気平衡式の原理で被測定電流を検出する電流センサの回路図。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を詳述する。なお、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材等には同一の符号を付し、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は発明を限定するものではなく例示であり、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、本発明の実施の形態１に係る電流センサの概略斜視図である。本図により、直交する３方向であるＸ方向,Ｙ方向,Ｚ方向を定義する。この電流センサは、被測定電流の経路を成す電流導通部１０と、感磁素子としてのホールＩＣ２０と、磁気遮蔽用の第１及び第２の磁性体３０Ａ,３０Ｂと、絶縁基板４０とを備える。

対をなす第１及び第２の磁性体３０Ａ,３０Ｂは、高透磁率磁性材（例えば珪素鋼板）を同一外形の断面コの字型に折曲げ加工したものであり、先端面（両端縁）同士が空隙Ｇを有して相互に対向して全体として外周面に２箇所のスリット（空隙Ｇ）が入った角筒状を成し、ホールＩＣ２０を内側に取り囲んで外部磁界から磁気遮蔽する。第１及び第２の磁性体３０Ａ,３０Ｂの保磁力は互いに等しい又は近似する。なお、第１及び第２の磁性体３０Ａ,３０Ｂは、図示の例ではそれぞれ断面コの字型の半角筒状としているが、半長円筒状、半円筒状、又は半楕円筒状等の他の形状としてもよい。

ホールＩＣ２０は、絶縁基板４０上に実装され、第１及び第２の磁性体３０Ａ,３０Ｂの内側に位置する。ホールＩＣ２０の感磁面（ホールＩＣ２０に内蔵のホール素子の感磁面）はＹＺ平面と平行であり、感磁方向はＸ方向と平行である。絶縁基板４０はＸＹ平面と平行な平面上に存在する。電流導通部１０は、例えば絶縁被覆導線であり、第２の磁性体３０Ｂの基部３０１に巻き付けられて、第２の磁性体３０Ｂの内側と外側に跨って所定回数だけ周回する（図示の例では周回数が６周半）。電流導通部１０が通電されることにより発生する磁界がホールＩＣ２０の感磁面に印加され、電流導通部１０に流れる電流に応じた出力電圧がホールＩＣ２０から得られる。

図２は、図１に示す電流センサの正断面図であり、電流導通部１０に通電しているときの磁束の流れを示す説明図である。この断面図における切断面は、ホールＩＣ２０を通り且つＸＺ平面と平行な（ホールＩＣ２０の感磁面と垂直な）平面である。前記切断面を仮想平面とすれば、電流導通部１０は、第１及び第２の磁性体３０Ａ,３０Ｂの内側において前記仮想平面を貫通する内側貫通部１１を複数（図示の例では７個）有し、また第１及び第２の磁性体３０Ａ,３０Ｂの外側において前記仮想平面を貫通する外側貫通部１２を複数（図示の例では６個）有する。

複数の内側貫通部１１及び複数の外側貫通部１２は、共通する１本の電流経路に含まれる。複数の内側貫通部１１に流れる電流が前記仮想平面を貫通する向きは同じ（図示の例ではＹマイナス側からＹプラス側）であり、複数の外側貫通部１２を流れる電流が前記仮想平面を貫通する向きも同じ（図示の例ではＹプラス側からＹマイナス側）であり、内側貫通部１１及び外側貫通部１２を流れる電流は前記仮想平面を貫通する向きが互いに逆である。

図２に示すように、複数の内側貫通部１１に流れる電流の発生する磁界は、ホールＩＣ２０の存在位置（感磁面位置）で互いに強め合ってホールＩＣ２０に印加されるとともに、第１及び第２の磁性体３０Ａ,３０Ｂにも流れる。一方、複数の外側貫通部１２に流れる電流の発生する磁界は、第２の磁性体３０Ｂに遮られてホールＩＣ２０には印加されない。なお、複数の内側貫通部１１及び複数の外側貫通部１２に流れる電流の発生する磁界は第１及び第２の磁性体３０Ａ,３０Ｂの内部において同方向である。

図３は、図１に示す電流センサの正断面図であり、電流導通部１０に通電していないときの磁束の流れを示す説明図である。この断面図における切断面は図２と同じである。第１及び第２の磁性体３０Ａ,３０Ｂは電流導通部１０に通電したときの磁界によって磁化されており、電流導通部１０に通電していないときにも第１及び第２の磁性体３０Ａ,３０Ｂの残留磁化の影響によりホールＩＣ２０に磁界が印加される。但し、図３に示すように、第１の磁性体３０Ａが磁化されたことにより発生する磁界と、第２の磁性体３０Ｂが磁化されたことにより発生する磁界は、ホールＩＣ２０の存在位置（感磁面位置）で互いに弱め合う（好ましくは打ち消し合ってゼロになる）。ホールＩＣ２０の感磁面のＺ方向位置を第１及び第２の磁性体３０Ａ,３０Ｂの空隙Ｇの中心と一致させ若しくはその近傍とし、Ｘ方向位置を第１及び第２の磁性体３０Ａ,３０Ｂの幅方向中心と一致させ若しくはその近傍とし、第１及び第２の磁性体３０Ａ,３０Ｂの保持力を互いに等しく又は近似させることで、第１及び第２の磁性体３０Ａ,３０Ｂの残留磁化により発生する磁界を感磁面位置でよりゼロに近づけることができる。なお、ホールＩＣ２０の感磁面位置をホールＩＣ２０の外形から正確に推定することが困難な場合であっても、おおよそホールＩＣ２０の厚み寸法の１／２の高さ位置に感磁面があると推定して配置すれば、同様の効果が得られる。ホールＩＣ２０の感磁面の大きさは空隙Ｇの長さに比較して充分小さいため、感磁面の大きさについては無視して点として考察可能である。

図４は、電流導通部１０のターン数（周回数）とホールＩＣ２０の感磁面位置における磁束密度の関係を示すグラフである。本図に示すように、電流導通部１０のターン数、すなわち内側貫通部１１の数を増やすことで、ホールＩＣ２０への印加磁界（磁束密度）を高めることができる。

本実施の形態によれば、下記の効果を奏することができる。

(1) 従来のように１本のバスバーが感磁素子の近傍を１度だけ通過する構成と比較して、感磁素子としてのホールＩＣ２０への印加磁界（磁束密度）を高めることができ、検出感度を向上して小電流レンジに好適に対応可能であるとともに測定分解能を向上することができる。

(2) 電流導通部１０のターン数（周回数）は特に限定されないため、要求される様々な測定レンジに柔軟に対応することができる。すなわち、電流導通部１０のターン数を大電流向けには少なくし、小電流向けには多くすることで、対象となる被測定電流の大きさに応じた感度の電流センサを簡単に実現できる。

(3) 電流導通部１０の通電時に磁気遮蔽用の第１及び第２の磁性体３０Ａ,３０Ｂが磁化されたことに起因する残留磁界の影響を排除若しくは低減可能であり、電流センサの検出出力のヒステリシスを原理的にゼロ（若しくはゼロ近傍）にすることが可能である。すなわち、電流センサのゼロアンペア測定精度の向上を図ることができる。

(4) 磁気遮蔽用の第１及び第２の磁性体３０Ａ,３０Ｂに用いる磁性材料特有の保磁力（ヒステリシス特性）に関わらず、電流センサの検出出力のヒステリシスを低減することが可能なため、廉価な磁性材料で優れた電流センサの検出出力特性を実現でき、コストダウンが可能となる。

(5) 磁気遮蔽用の第１及び第２の磁性体３０Ａ,３０Ｂを対向させた内側にホールＩＣ２０を配置しているため、リング状の磁気コアの空隙に感磁素子を配置する従来構造と比較して感磁素子としてのホールＩＣ２０に流れ込む外乱磁界が少なくなり、外乱ノイズ耐性が向上する。

(6) 電流導通部１０を第２の磁性体３０Ｂに巻き付けているため、電流導通部１０のズレが発生しにくい。

図５は、本発明の実施の形態２に係る電流センサの概略斜視図である。図６は、図５に示す電流センサの正断面図であり、電流導通部１０に通電しているときの磁束の流れを示す説明図である。図７は、図５に示す電流センサの正断面図であり、電流導通部１０に通電していないときの磁束の流れを示す説明図である。本実施の形態の電流センサは、図１等に示す実施の形態１のものと比較して、対をなす第１及び第２の磁性体３０Ａ,３０Ｂの先端面（両端縁）同士の間に空隙Ｇが無い（両端縁同士が接触している）点で相違し、その他の点で一致する。本実施の形態も、実施の形態１と同様の効果を奏することができる。なお、空隙Ｇが無くても、第１及び第２の磁性体３０Ａ,３０Ｂが別体であれば（一体でなければ）、電流センサの検出出力のヒステリシスを低減する効果がある。

図８は、本発明の実施の形態３に係る電流センサの概略斜視図である。図９は、図８に示す電流センサの分解斜視図である。本実施の形態の電流センサは、図１等に示す実施の形態１のものと比較して、電流導通部１０が絶縁基板４０上の導体パターンである点で相違し、その他の点は同様である。絶縁基板４０には貫通孔４０Ａが２つ設けられている。電流導通部１０は双方の貫通孔４０Ａの周りを周回する。周回数は任意である。なお、電流導通部１０（導体パターン）の両端にはスルーホール４０Ｂがそれぞれ形成され、双方のスルーホール４０Ｂは絶縁基板４０の裏面の図示しない別々の電極部に導通される。各電極部は被測定電流の入口、出口となる。

絶縁基板４０の厚さは空隙Ｇの長さ以下であり、組立の際には、図９に示すように絶縁基板４０を空隙Ｇに通し、第２の磁性体３０Ｂの先端部と絶縁基板４０の貫通孔４０Ａの位置を合わせ、貫通孔４０に第２の磁性体３０Ｂの先端部を所定長だけ挿入し、ホールＩＣ２０の感磁面のＺ方向位置を第１及び第２の磁性体３０Ａ,３０Ｂの空隙Ｇの中心と略一致させる。なお、絶縁基板４０を第１及び第２の磁性体３０Ａ,３０Ｂの先端面（両端縁）同士で挟み込む構造としてもよい。この場合、貫通孔４０Ａは不要となる。または、絶縁基板４０の貫通孔４０Ａに第２の磁性体３０Ｂの先端部を挿通後に第１の磁性体３０Ａを組み込む構造としてもよい。この場合、絶縁基板４０の厚さは空隙Ｇの長さ以上でもよい。

図１０は、図８に示す電流センサの正断面図であり、電流導通部１０に通電しているときの磁束の流れを示す説明図である。この断面図における切断面は図２と同じである。図１０に示すように、複数の内側貫通部１１に流れる電流の発生する磁界は、ホールＩＣ２０の存在位置（感磁面位置）で互いに強め合ってホールＩＣ２０に印加されるとともに、第１及び第２の磁性体３０Ａ,３０Ｂにも流れる。一方、複数の外側貫通部１２に流れる電流の発生する磁界は、第１及び第２の磁性体３０Ａ,３０Ｂに遮られてホールＩＣ２０には印加されない。なお、複数の内側貫通部１１及び複数の外側貫通部１２に流れる電流の発生する磁界は第１及び第２の磁性体３０Ａ,３０Ｂの内部において同方向である。

図１１は、図８に示す電流センサの正断面図であり、電流導通部１０に通電していないときの磁束の流れを示す説明図である。この断面図における切断面は図１０と同じである。図１１に示すように、第１の磁性体３０Ａが磁化されたことにより発生する磁界と、第２の磁性体３０Ｂが磁化されたことにより発生する磁界は、ホールＩＣ２０の存在位置（感磁面位置）で互いに弱め合う（好ましくは打ち消し合ってゼロになる）。この点については図３での説明と同様なので、再度の説明は省略する。

本実施の形態も、実施の形態１と同様の効果を奏することができる。

図１２は、本発明の実施の形態４に係る電流センサの正断面図であり、電流導通部１０に通電しているときの磁束の流れを示す説明図である。図１３は、同電流センサの正断面図であり、電流導通部１０に通電していないときの磁束の流れを示す説明図である。本実施の形態の電流センサは、図８等に示す実施の形態３のものと比較して、対をなす第１及び第２の磁性体３０Ａ,３０Ｂの先端面（両端縁）同士の間に空隙Ｇが無い（両端縁同士が接触している）点で相違し、その他の点で一致する。本実施の形態も、実施の形態３と同様の効果を奏することができる。

図１４は、本発明の実施の形態５に係る電流センサの分解斜視図である。本実施の形態の電流センサは、図８等に示す実施の形態３のものと比較して、電流導通部１０が絶縁基板４０の貫通孔４０Ａの一方の周りを周回するものの他方の周りは周回しない点で相違し、その他の点は同様である。図１５は、図１４に示す電流センサの正断面図であり、電流導通部１０に通電しているときの磁束の流れを示す説明図である。この断面図における切断面は図１０と同じである。図１５に示す磁束の流れは、図１０の左側の外側貫通部１２を流れる電流によるものが無くなった以外は図１０と同じである。図１６は、図１４に示す電流センサの正断面図であり、電流導通部１０に通電していないときの磁束の流れを示す説明図である。この断面図における切断面は図１５と同じである。図１６に示す磁界の流れは、図１１と同じである。本実施の形態も、実施の形態３と同様の効果を奏することができる。

図１７は、本発明の実施の形態６に係る電流センサの正断面図であり、電流導通部１０に通電しているときの磁束の流れを示す説明図である。図１８は、同電流センサの正断面図であり、電流導通部１０に通電していないときの磁束の流れを示す説明図である。本実施の形態の電流センサは、図１４等に示す実施の形態５のものと比較して、対をなす第１及び第２の磁性体３０Ａ,３０Ｂの先端面（両端縁）同士の間に空隙Ｇが無い（両端縁同士が接触している）点で相違し、その他の点で一致する。本実施の形態も、実施の形態５と同様の効果を奏することができる。

以上、実施の形態を例に本発明を説明したが、実施の形態の各構成要素や各処理プロセスには請求項に記載の範囲で種々の変形が可能であることは当業者に理解されるところである。以下、変形例について触れる。

実施の形態では感磁素子としてホールＩＣ２０を例示したが、感磁素子は磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）であってもよい。図１９は、感磁素子としてＭＲ素子ブリッジ７を用いて、磁気平衡式の原理で被測定電流を検出する電流センサの回路図である。なお、感磁素子としてＭＲ素子ブリッジ７を用いる場合、感磁面はＸＹ平面と平行とする（感磁方向もＸＹ平面と平行となる）。図１９に示すように、電源１の高電圧側と低電圧側の間に４つのＭＲ素子７ａ〜７ｄがフルブリッジ接続される。ＭＲ素子７ａ,７ｂの相互接続点と、ＭＲ素子７ｃ,７ｄの相互接続点とが、負帰還用差動増幅器２の入力端子にそれぞれ接続される。負帰還用差動増幅器２の出力端子にはフィードバックコイル３と検出抵抗６が直列接続される。検出抵抗６の両端子は出力用差動増幅器４の入力端子にそれぞれ接続される。フィードバックコイル３はＭＲ素子ブリッジ７の近傍に例えば素子基板上の導体パターンとして形成される。電流導通部１０に通電するとＭＲ素子ブリッジ７に磁界が印加される。負帰還用差動増幅器２の作用により、フィードバックコイル３には、ＭＲ素子７ａ,７ｂの相互接続点とＭＲ素子７ｃ,７ｄの相互接続点との電位差がゼロになるように、すなわちＭＲ素子ブリッジ７に印加される磁界がゼロになるように、フィードバック電流が流れる。フィードバック電流は被測定電流に比例するから、フィードバック電流を検出抵抗６で電圧に変換して出力用差動増幅器４で増幅したセンサ出力から被測定電流の大きさを特定できる。

１０ 電流導通部
１１ 内側貫通部
１２ 外側貫通部
２０ ホールＩＣ（感磁素子）
３０Ａ 第１の磁性体
３０Ｂ 第２の磁性体
３０１ 基部
４０ 絶縁基板
４０Ａ 貫通孔
４０Ｂ スルーホール
Ｇ 空隙

Claims (9)

1. 磁気遮蔽用の磁性体と、前記磁性体の内側に位置する感磁素子と、被測定電流の経路を成す電流導通部とを備え、
   前記感磁素子又はその近傍を通る所定の仮想平面を定義すると、前記電流導通部は、前記磁性体の内側において前記仮想平面をそれぞれ貫通する複数の貫通部を有し、前記複数の貫通部が共通する１本の電流経路に含まれ、かつ各々の貫通部を流れる被測定電流の発生する磁界が前記感磁素子の存在位置で強め合う関係にある、電流センサ。
2. 前記電流導通部は、前記磁性体の内側において前記仮想平面を一方側から他方側に貫通し、前記仮想平面の他方側において前記磁性体の内側から外側に延び、前記磁性体の外側において前記仮想平面を他方側から一方側に貫通し、前記仮想平面の一方側において前記磁性体の外側から内側に延び、前記磁性体の内側において前記仮想平面を一方側から他方側に再度貫通する１本の導体部を含む、請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記電流導通部は前記磁性体の内側と外側に跨って周回する周回部を含み、前記周回部が前記複数の貫通部を有する、請求項１又は２に記載の電流センサ。
4. 前記電流導通部が前記磁性体に巻き付けられている請求項１から３のいずれか一項に記載の電流センサ。
5. 前記電流導通部が基板上の導体パターンを含み、前記導体パターンが前記磁性体の内側と外側に跨って複数ターン周回している、請求項１から３のいずれか一項に記載の電流センサ。
6. 前記基板は、前記磁性体が貫通する孔部を有する、請求項５に記載の電流センサ。
7. 前記磁性体は相互に対向する第１及び第２の磁性体を含み、前記第１の磁性体の残留磁化により発生する磁界と前記第２の磁性体の残留磁化により発生する磁界とが弱め合う位置に前記感磁素子が存在する、請求項１から６のいずれか一項に記載の電流センサ。
8. 前記第１及び第２の磁性体の保磁力が互いに等しい又は近似する、請求項７に記載の電流センサ。
9. 前記第１及び第２の磁性体はそれぞれ形状が半筒状であって端縁同士が空隙を介して対向している請求項７又は８に記載の電流センサ。