JP2017151126A - 電流センサ装置 - Google Patents
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Abstract
Description
この電流センサ装置によれば、パワー半導体素子を囲うように配設される磁気遮蔽材を備えるので、外部からの磁気ノイズの影響が低減される。
しかしながら、高比透磁率材からなる磁気遮蔽材は、比較的高価であるため、電流センサ装置のコストが高くなってしまうという課題がある。
また、比透磁率がパーマロイよりも低い純鉄や珪素鋼板で磁気遮蔽をする場合、磁気遮蔽材の厚みを厚くして磁気遮蔽をする必要があり、厚くなる分大型になり、製造も容易でなく、高価になるという課題がある。
本発明は、外部磁場による電流検出の誤動作を避けつつコスト削減を行うことができる電流センサ装置を提供することを目的とする。また、磁気遮蔽材を薄くして、電流センサ装置を小型化することを目的とする。
前記第2の比透磁率は、前記第1の比透磁率よりも低く、前記第2の磁気シールド部は、前記第1の磁気シールド部の外側に配置されていることが好ましい。前記第1の磁気シールド部と前記第2の磁気シールド部とが、各々略U字形状を有し、略U字形状の前記第2の磁気シールド部の凹部に略U字形状の前記第1の磁気シールド部が連設されていることが好ましい。
前記第2の比透磁率は、前記第1の比透磁率よりも低く、前記第2の磁気シールド部と前記第1の磁気シールド部とが直列に接続されているようにしても良い。この際に、前記第1の磁気シールド部が前記磁気検出素子の感磁面と略対向し、前記第2の磁気シールド部が、前記感磁面と略垂直であるようにすると良い。
また、所望の磁気シールド効果を得るためのパラメータを、以下の式に基づいて決めることができる。
E(total)=E1×E2={(μ1×d1)/S1}×{(μ2×d2)/S2} 前記磁気シールド部は、前記磁気検出素子の感磁面と略垂直な方向に設けられた開口を有することが好ましい。前記電流経路は、前記磁気検出素子の前記開口とは反対側に配置されるようにすると良い。
前記第2の磁気シールド材は、磁性材と樹脂材とを含む材料で形成されるようにしても良い。
前記第1の比透磁率は、約3000以上である。
図2(a)は、本発明の第1の実施の形態による電流センサ装置の一構成例を示す断面図である。図2(b)は、図2(a)に示す電流センサ装置の斜視図である。以下、各図において定義したx,y,z軸を参照しながら説明を行う。
磁気シールド部20は、磁気検出素子11のx軸方向の両側面側に設けられる側壁部とz軸方向の底面側に設けられた壁部とにより形成されている。磁気検出素子11は、例えば、両側面側において、磁気シールド部20に固定された図示しない基板上に実装すると良い。磁気検出素子11に流れる電流をI1とする。
この例では、磁気シールド部20は、磁気検出素子11の電圧印加方向(両端子間)であるy軸方向の幅W2より大きな幅W1を有している。X軸方向の幅Lは、小型化・低コスト化のため、できるだけ短い方が好ましい。
ここで、第2の比透磁率μ2を第1の比透磁率μ1よりも低くし、第2の磁気シールド部23を、第1の磁気シールド部21の外側に配置すると良い。
尚、第1の磁気シールド部21と第2の磁気シールド部23とを、粘着剤で粘着してもよく、両磁気シールド部21、23を樹脂でコーティングして一体としても良い。
外部からの磁束31は、低比透磁率材料で形成される第2の磁気シールド部23に入った磁束が下部に少し流れ、高比透磁率材料である第1の磁気シールド部21に多くの磁束が通過する。磁気シールド部に入力する磁束と、出力される磁束は、ほぼ同じ値である。
E(total)=E1×E2={(μ1×d1)/S1}×{(μ2×d2)/S2}・・・(1)
1層の磁気シールド部の場合には、E(total)=E1であり、E2が1以上であれば、2層の磁気シールド部の方が良い効果が得られることは式(1)から明らかである。
第2の比透磁率μ2が低くなっても、d2を厚くすれば、E2を1以上にすることができる。
尚、トータルの磁気シールド効果Eは、2層構造のそれぞれのシールド効果の乗算となるため、1層のみの場合に比べて、2重磁気シールド構造を用い、E2を1以上にすることで、すなわち、μ2×d2を大きくすることで顕著なシールド効果が得られることは理論的にも裏付けされている。
第1の磁気シールド部21と第2の磁気シールド部23は、例えばそれぞれの部材の組み立て工程により実現することができる。
以上に説明したように、本実施の形態による電流センサ装置によれば、外部磁場の影響を抑制しつつコストを低減することができるという利点がある。
尚、上記の例では、磁気シールド部を異なる比透磁率を有する2層の磁気シールド材により形成したが、3層以上の磁気シールド材により構成しても良いし、比透磁率を厚さ方向に変化させた構造としても良い。
また、第1の磁気シールド部21と第2の磁気シールド部23とは、x軸方向、z軸方向に接していても良いし、離間して配置されていても良い。
図2(a)において、第1の比透磁率μ1を有する第1の磁気シールド材を、例えば、パーマロイPC材とし、第2の比透磁率μ2を有する第2の磁気シールド材を、例えば、フェライトとしても良い。パーマロイPC材は、比透磁率が5000超であり、フェライトの比透磁率が2000程度である。前者の方が価格は高い。パーマロイPC材厚さ0.1mmの比透磁率は数万〜数十万、パーマロイPB材厚さ0.1mmの比透磁率は1〜2万、0.35mmでは約3000である。そこで、パーマロイの層厚をできるだけ薄くし、その分だけ減少する磁気シールド効果を、安いフェライトを設けることで補う。例えば、第1の磁気シールド材の厚さは、外部からの磁束のうちの第2の磁気シールド部23により吸収しきれなかった磁束を第1の磁気シールド部21により吸収できる程度の厚さとすればよい。
PCパーマロイ(Ni-Mo,Cu-Fe)は、ニッケル成分が70〜85%であり、比透磁率と直流特性に優れる。加工性も高く、磁気遮蔽(シールド)材料に適している。
PBパーマロイ(Ni-Fe)は大きな飽和磁束密度が得られる。各種センサの小型化・高性能化や、変流器(CT)の材料としても多用されている。特に厚さ1mm以下のPBパーマロイは薄板の積層により最も高い特性を発揮する。
コストは、パーマロイ、珪素鋼板、フェライトの順番に高い。
2層シールド構造に関する上記のような考え方を適用できる構造であれば、比透磁率や材質、厚さ等は、この実施例に限定されるものではない。
RuckerとWillsによる無限円筒の磁気効果Efは以下の式で表すことができる。
Ef=He/Hi=μd/D
ここで、磁性体の直径をD、磁性体の厚さをd、磁性体の比透磁率をμとする。磁性体のシールドの効果がEfとする。Hiは、遮蔽空間の磁場、Heは、遮蔽材料が存在しなかった場合の磁場である。
比透磁率μ、磁性体の厚さdは、磁気シールド効果Eと比例し、磁性体の直径Dの大きさと反比例する。
図3(a)、(b)に示すように、シミュレーションモデル(ここでは、電磁界解析ソフトウェアJMAG(ジェイマグ:登録商標))を用いた。本実施の形態による電流センサ装置1と、その外側に配置され、外部磁場の影響を見積もるシミュレーションのために設けた磁界発生手段41とからなる。電流センサ装置1は、磁気検出素子11の外側に、磁気検出素子11に対する外部からの磁束を遮蔽する磁気シールド部20を有している。それぞれの寸法は、以下の通りである。
磁気シールド部20:高さ15mm(Z軸方向)、長さ22mm、幅15mm(Y軸方向)
磁気シールド部20の厚さの詳細は以下の通りである。
第1の磁気シールド部21の第1の磁気シールド材(パーマロイPB材:比透磁率μs≧3000、飽和磁束密度1.4T):厚さ0.1、0.2、0.35、0.5mm、尚、実効比透磁率は厚さに依存し、厚いほど比透磁率は小さくなる傾向にある。
また、磁気検出素子(IC)11の寸法は、以下の通りである。
高さ 1mm、長さ 3mm、幅 5mm、厚さ 1mm
材料は高比透磁率170000の磁性材PCと仮定している。
上記のシミュレーションモデルを用いて、磁界発生手段41から発生させた外部磁場を10000、15000、20000、30000、50000A/m変化させた場合の、第1の磁気シールド材(PB)と第2の磁気シールド材(フェライトMB4)及び磁気検出素子(IC)11における磁束密度を磁気シールド解析法により求めた。その計算結果を表1に示す。尚、シミュレーションで磁界の強さを設定する場合には、直流で設定する。
表1の最下段(3行)の値は、PBの厚さが0.1mm、MB4の厚さが0.5mmといずれも薄い場合であり、10000A/m程度の外部磁場でもコアの飽和が生じ、15000A/m程度でもICの誤動作が生じている。
尚、ICの磁束密度が高くなった場合、例えば、基準値を0.01Tとした場合に、それ以上になった場合には、ICの誤動作と定義した。0.1T以上になった場合を完全誤動作と定義した。
表1より、磁気シールド部の構成が同じであっても外部磁場が大きくなるほど磁気検出素子(IC)11の誤動作が生じやすくなること、第1の磁気シールド材、第2の磁気シールド材の厚さが厚いほど、磁気検出素子(IC)11の誤動作が生じにくいこと、特に第2の磁気シールド材の厚さが薄いとコアの飽和が生じやすいことがわかる。
図4は、表1の結果に基づいて、内側の第1の磁気シールド材であるPBの厚さを0.35mmで一定として外部磁場を印加した場合の、磁気検出素子(IC)11における磁束密度(T)の値に関して、外側の第2の磁気シールド材MB4の厚さ依存性を示す図である。
図4に示すように、外部磁場20000A/m以下では、MB4の厚さが0.5から10mmまでの広い範囲において、磁気検出素子(IC)11における磁束密度は、0.01T以下であり、2重シールド構造による顕著な磁気シールド効果が発揮されることがわかる。
図5に示すように、第2の磁気シールド材であるMB4の厚さをある程度の厚さで一定(5mm)とした場合において、第1の磁気シールド材であるPBの厚さが0.05mmから0.35mmの範囲において、外部磁場10000A/m、20000A/mでシールド効果があることがわかる。この場合の、磁気検出素子(IC)11における磁束密度がほぼ同じである。
尚、外部磁場が30000A/mを超えると、例えばPBの厚さが0.1mmの条件では、ICの誤動作が生じていることから、良好なシールド効果は得られなくなることがわかる。従って、外部磁場が30000A/mを超える場合には、例えばPBの厚さが0.35mm以上が必要になる。
図6に示すように、この条件下では、少なくとも、外部磁場20000A/mまでは、本実施の形態による磁気シールド部の構造によりシールド効果が得られるといえる。外部磁場30000A/m程度を超えると、上記の磁気シールド構造であっても、外部磁場の影響を受けていることがわかる。
表1に示すように、第2の磁気シールド材(フェライトMB4)が磁気飽和(それ以上磁界を強めてもそれ以上磁性体の磁化が変化しなくなった状態)し、第1の磁気シールド材(PB)も磁気飽和すると、磁気検出素子11の誤動作が生じやすくなることがわかる。従って、第2の磁気シールド材(フェライトMB4)を磁気飽和しない程度の十分な厚さである5mm程度設けておくことにより、磁気シールド材の磁気飽和を抑制することができるという効果がある。
尚、磁気シールド材の残留磁束密度の値が高いと、外部磁場の影響が持続する。従って、残留磁束密度の高い材料、例えば、珪素鋼板を用いることは、磁気シールド効果を維持させるという観点からは好ましくない。
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。図7(a)は、本実施の形態による電流センサ装置の一構成例を示す断面図である。図7(b)は、図7(a)の変形例を示す電流センサ装置の断面図である。
第1の実施の形態との相違点は、第2の比透磁率を有する第2の磁気シールド部23aを、磁性材料と樹脂材などの非磁性材料との複合材料により構成したことである。この構造による磁気シールドに関する作用効果は、第1の実施の形態と同様であるが、磁性材料と樹脂材などの非磁性材料との安価な複合材料を用いることにより、第1の実施の形態の場合よりもコストの削減効果が大きいという利点がある。図7(b)に示すように、第2の磁気シールド部23aを内側に設けても良い。
このような複合材料としては、例えば、フェライトとエポキシ樹脂との複合材料を用いることができる。
以上に説明したように、本実施の形態による電流センサ装置によれば、外部磁場の影響を抑制しつつコストをより一層低減することができるという利点がある。
次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。図8(a)は、本実施の形態による電流センサ装置の一構成例を示す断面図である。
本実施の形態による電流センサ装置1においては、第1の磁気シールド部21aは、磁気検出素子11の側面側、すなわち、感磁面11aと略対向する位置に配置され、第2の磁気シールド部23cは、感磁面11aと略垂直である位置に配置されている。すなわち、第1の磁気シールド部21aと第2の磁気シールド部23cとが、直列的に配置されている。但し、この場合には、第1の磁気シールド部21aと第2の磁気シールド部23cとの飽和磁束密度は、磁束の通路が直列的であるため、それぞれで高い値を有することが好ましい。また、第2の磁気シールド部23cは磁束の方向の断面積S2が小さいため飽和しやすい。そこで、第2の磁気シールド部23cの飽和磁束密度も高くすることが好ましい。
この場合には、シールド効果は前述の式(1)と同様の式で求めることができる。
ここで、μはそれぞれの比透磁率、dは磁気シールド材の厚み、Sは磁気検出素子と対向する面の断面積である。
尚、図8の第1の磁気シールド部21aの厚さは、図2の第1の磁気シールド部21の厚さと同程度でよい。図8の第1の磁気シールド部21aのみとしたことによる磁気シールド効果に対する影響は、図8の第2の磁気シールド部23cを設けることで補うことができる。
厚さにもよるが、第1の磁気シールド部21aは、比透磁率3000以上、飽和磁束密度1.4T以上、第2の磁気シールド部23cは、比透磁率100以上、飽和磁束密度1.2T以上の材料を用いることができる。
また、図8(b)に示すように、底面側に設けられる第2の磁気シールド部23dを、磁性材料と樹脂材などの非磁性材料との複合材料により形成しても良い。例えば、樹脂とフェライトとを混ぜて成形した材料などを用いることができる。
さらに、図8(c)に示すように、両側面側と底面側とに第1の磁気シールド部21aを設けるとともに、さらに、底面側に第2の磁気シールド部23cを設けるようにしても良い。
また、第1の磁気シールド部21aと第2の磁気シールド部23cとの接合位置は、図8(a)に限らない。また、第1の磁気シールド部21aと第2の磁気シールド部23cの配置を入れ替えても良い。
図8(a)、(b)のときに、低比透磁率材は高比透磁率材の10〜20倍の厚さであることが好ましい。
次に、本発明の第4の実施の形態について説明する。図9(a)、(b)は、本実施の形態による電流センサ装置の一構成例を示す斜視図である。
図9(a)、(b)に示す構造では、第1の磁気シールド部51・51aと、第2の磁気シールド部53・53aを、z方向の上方に開口のない筒状に形成している。これらの構造においても、2重シールド構造の効果を得ることができる。
また、このような構成によれば、上方に開口を設けていないため、磁気シールド部の製造工程をより簡単にできるという利点がある。
但し、四方を囲むよりも、上方が開いているUの字の方が磁気シールド効果は良い。その理由は、磁気シールド材が側壁、底面とともに四方を囲む上壁を有すると、バスバー上に配置される磁気検出素子は上壁の磁気シールド材と近い位置になり、上壁と磁気検出素子との磁界の干渉が生じやすくなるためである。
また、開口は、磁気検出素子の上方に位置するのが好ましく、また、開口は大きい方が好ましい。その理由は、磁気シールド材の上壁部分と磁気検出素子との干渉が生じにくいためである。
開口は四方を囲む上壁が無い形態としても良い。また開口の形状は特に限定されない。
上記の各実施の形態によれば、電流センサ装置において、外部磁場による電流検出の誤動作を避けつつコスト削減を行うことができる。
パーマロイ、センダスト、Co基アモルファス、純鉄、Fe−6.5Si、Fe−3.5Si、Fe基アモルファス、ナノ結晶Fe基軟磁性材料、珪素鋼板などを用いることができる。
また、低比透磁率の材料としては、以下の材料が例示的に挙げられる。
Mn−Znフェライト、樹脂にフェライトを混合して成形した材料などを用いることができる。
また、第1の磁気シールド部21も磁性粉末と樹脂との複合材料を用いることができる。
これらの樹脂は第2の磁気シールド部23にも使用することができる。例えば、磁性粉末に添加する樹脂の割合は、磁性粉末に対して5〜7wt%としても良い。
また板状の2つの磁気シールド材を1つの樹脂で固化させて2層構造とすることもできる。
また、磁気検出素子の感磁面と磁気シールド材とは必ずしも完全に平行でなくても良い。感磁面と磁気シールド材とにある程度の角度、例えば0〜10度の角度が付いていても、シールド効果を有する。
上記の実施の形態において、添付図面に図示されている構成等については、これらに限定されるものではなく、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。
また、本発明の各構成要素は、任意に取捨選択することができ、取捨選択した構成を具備する発明も本発明に含まれるものである。
11…磁気検出素子(IC)
11a…感磁面
15…電流経路(バスバー)
20…磁気シールド部
21…第1の磁気シールド部
23…第2の磁気シールド部
Claims (7)
- コアレス型の電流センサ装置であって、
電流経路から発生する磁束を検知する磁気検出素子と、
前記磁気検出素子の周囲に設けられ、前記磁気検出素子に対する外部からの磁束を遮蔽する磁気シールド部と、を有し、
前記磁気シールド部は、
第1の比透磁率を有する第1の磁気シールド材からなる第1の磁気シールド部と、
前記第1の比透磁率とは異なる第2の比透磁率を有する第2の磁気シールド材からなる第2の磁気シールド部と
を有し、
前記第1の磁気シールド部と前記第2の磁気シールド部とが、各々略U字形状を有し、 略U字形状の前記第2の磁気シールド部の凹部に略U字形状の前記第1の磁気シールド部が連設されていることを特徴とする電流センサ装置。 - 前記第2の比透磁率は、前記第1の比透磁率よりも低く、
前記第2の磁気シールド部は、前記第1の磁気シールド部の外側に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の電流センサ装置。 - 所望の磁気シールド効果を得るためのパラメータを、以下の式に基づいて決めることを特徴とする請求項1又は2に記載の電流センサ装置。
E(total)=E1×E2={(μ1×d1)/S1}×{(μ2×d2)/S2} ここで、E(total)は、トータルの磁気シールド効果、E1は第1の磁気シールド部による磁気シールド効果、E2は第2の磁気シールド部による磁気シールド効果、μ1は第1のシールド材の第1の比透磁率、μ2は第2のシールド材の第2の比透磁率、d1は、第1のシールド材の厚さ、d2は、第2のシールド材の厚さ、S1は第1の磁気シールド材の内側の断面積、S2は第2の磁気シールド材の内側の断面積である。 - 前記磁気シールド部は、前記磁気検出素子の感磁面と略垂直な方向に設けられた開口を有することを特徴とする請求項1から3までのいずれか1項に記載の電流センサ装置。
- 前記電流経路は、前記磁気検出素子の前記開口とは反対側に配置されることを特徴とする請求項4に記載の電流センサ装置。
- 前記第2の磁気シールド材は、
磁性材と樹脂材とを含む材料で形成されることを特徴とする請求項1から5までのいずれか1項に記載の電流センサ装置。 - 前記第1の比透磁率は、約3000以上であることを特徴とする請求項1から6までのいずれか1項に記載の電流センサ装置。
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