JP2019138749A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】磁気センサとコアを用いた電流センサにおいて、外乱磁界による検出精度の低下を防止する。【解決手段】磁気センサを有するセンサユニット５０と、測定対象電流によって磁気センサの感度軸方向に磁束を発生させるバスバーＢと、磁束の磁路であり、磁気センサの感度軸方向における両側に位置する第１及び第２の部分を含むコア４０とを備える。センサユニット５０は、磁気センサと同軸に配置され、感度軸方向と直交する径方向から磁気センサを覆う筒状の磁気シールド５２を含む。本発明によれば、磁気センサの感度軸方向についてはコア４０によって覆われ、磁気センサの径方向については磁気シールド５２によって覆われることから、ほぼ全方向からの外乱磁界を遮蔽することができる。これにより、外乱磁界よる検出精度の低下を効果的に防止することが可能となる。【選択図】図３

Description

本発明は電流センサに関し、特に、測定対象電流によって発生する磁束の磁路となるコアと磁気センサを備えた電流センサに関する。

磁気センサを用いた電流センサとしては、特許文献１及び２に記載された電流センサが知られている。特許文献１及び２に記載された電流センサは、計測対象電流が流れるバスバーと、バスバーからの磁束を受ける磁気センサと、磁束の磁路となるコアを備えている。

また、特許文献１及び２に記載された電流センサは、環状のコアによって磁気センサが覆われていることから、外乱磁界の多くは、磁気センサに印加されることなくコアによって遮蔽される。特に、磁気センサの感度軸方向における両側がコアで覆われているため、感度軸方向の外乱磁界をコアによって効果的に遮蔽することが可能となる。

特開平１１−２５８２７５号公報 特開２０１０−２７６４２２号公報

しかしながら、特許文献１及び２に記載された電流センサは、環状のコアを用いているため、磁気センサの感度軸方向と直交する所定の方向はコアによって覆われず、磁気的に露出した状態となっている。このため、コアによって覆われていない方向から外乱磁界が与えられると、これがノイズとなって検出精度が低下するという問題があった。

したがって、本発明は、磁気センサとコアを用いた電流センサにおいて、外乱磁界による検出精度の低下を防止することを目的とする。

本発明による電流センサは、磁気センサと、測定対象電流によって磁気センサの感度軸方向に磁束を発生させるバスバーと、磁束の磁路であり、磁気センサの感度軸方向における両側に位置する第１及び第２の部分を含むコアと、磁気センサと同軸に配置され、感度軸方向と直交する径方向から磁気センサを覆う筒状の磁気シールドと、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、磁気センサの感度軸方向についてはコアによって覆われ、磁気センサの径方向については磁気シールドによって覆われることから、ほぼ全方向からの外乱磁界を遮蔽することができる。これにより、外乱磁界よる検出精度の低下を効果的に防止することが可能となる。

本発明において、コアと磁気センサの感度軸方向における距離は、コアと磁気シールドの感度軸方向における距離以下であっても構わない。これによれば、計測に必要な磁束が磁気シールドに流れることによる感度の低下を抑えることが可能となる。

本発明において、バスバーは、測定対象電流が互いに逆方向に流れる第１及び第２の電流経路を含み、コアは、互いに独立して設けられ、バスバーの第１及び第２の電流経路を覆うことなく、第１の部分と第２の部分を接続する第３及び第４の部分をさらに含む環状構造を有していても構わない。これによれば、コアの第３及び第４の部分がバスバーの第１及び第２の電流経路を覆わないことから、電流センサの外形を小型化することが可能となる。しかも、コアが環状構造を有していることから、特許文献２に記載された電流センサのように、環状のコアによってバスバーの第１及び第２の電流経路を囲んだ構造とした場合と同等の検出感度を確保することが可能となる。

本発明による電流センサは、補償電流によって感度軸方向に磁束を発生させる補償コイルをさらに備えていても構わない。これによれば、いわゆるクローズドループ型の磁気センサを構成することが可能となる。

本発明による電流センサは、補償コイルが巻回された巻芯部と、巻芯部の感度軸方向における両端部に位置する第１及び第２の鍔部を有するボビンをさらに備え、巻芯部には、感度軸方向に延在する中空部が設けられており、磁気センサ及び磁気シールドは、中空部に挿入されていても構わない。これによれば、磁気センサ及び磁気シールドの径方向における位置を正しく位置決めすることが可能となる。

本発明において、ボビンの第１及び第２の鍔部の少なくとも一方は、コアを位置決めするための位置決め部を有していても構わない。これによれば、コアと磁気センサ及び補償コイルとの位置関係を固定することが可能となる。

本発明において、磁気シールドは、径方向から補償コイルを覆うものであっても構わない。この場合であっても、コア及び磁気シールドによって、ほぼ全方向からの外乱磁界を遮蔽することができる。

本発明において、磁気シールドを構成する磁性材料は、磁気センサを構成する磁性材料よりも透磁率が低くても構わない。これによれば、計測に必要な磁束が磁気シールドに流れることによる感度の低下を抑えることが可能となる。

このように、本発明によれば、外乱磁界による検出精度の低下が防止された電流センサを提供することが可能となる。

図１は、本発明の好ましい実施形態による電流センサ１の外観を示す略斜視図である。 図２は、外装体から取り出した状態における電流センサ１の略分解斜視図である。 図３は、本体部１０の略分解斜視図である。 図４は、支持体５１に支持された可飽和磁性体Ｍを示す略斜視図である。 図５は、磁気センサＳの構造を説明するための模式的な斜視図である。 図６は、磁気シールド５２の構造の一例を示す略斜視図である。 図７は、磁気シールド５２の構造の他の例を示す略斜視図である。 図８は、本体部１０からコア４０及びセンサユニット５０を取り外した状態を示す略斜視図である。 図９は、コア４０の形状を説明するための略斜視図である。 図１０は、電流センサ１の模式的なｙｚ断面図である。 図１１は、距離Ｇ０と距離Ｇ０の関係の一例を説明するための模式図である。 図１２は、距離Ｇ０と距離Ｇ０の関係の他の例を説明するための模式図である。 図１３は、径方向から補償コイルＣを覆う別の磁気シールド６０を用いた例を示す模式的なｙｚ断面図である。 図１４は、変形例によるコア４０の形状を示す略斜視図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の好ましい実施形態による電流センサ１の外観を示す略斜視図である。また、図２は、外装体から取り出した状態における電流センサ１の略分解斜視図である。

図１及び図２に示すように、本実施形態による電流センサ１は、ケース１１，１２からなる外装体と、外装体に収容された本体部１０からなり、側面である一対のｘｚ面からバスバーＢが導出され、底面であるｘｙ面から端子２１が導出された構成を有している。実使用時においては、図示しない回路基板の実装面と電流センサ１のｘｙ面が向かい合うように実装され、測定対象電流が流れる電流経路にバスバーＢが挿入される。

外装体を構成するケース１１，１２は、樹脂などの絶縁材料からなり、本体部１０を保護する役割を果たす。ケース１１とケース１２は、互いにｙ方向に嵌合する形状を有している。本体部１０は、基板２０と、基板２０に固定されたボビン３０と、ボビン３０に巻回された補償コイルＣと、補償コイルＣの外周に位置するバスバーＢと、補償コイルＣ及びバスバーＢを覆うように配置されたコア４０と、図２には表れないセンサユニット５０（後述）を備えている。

図３は、本体部１０の略分解斜視図である。

図３に示すように、ボビン３０の中心部にはｘ方向に延在する中空部３９が設けられており、この中空部３９にセンサユニット５０が挿入される。図３及び図４に示すように、センサユニット５０は、樹脂などからなる支持体５１と、支持体５１の一部でありｘ方向に延在する軸状部５０ａに保持された可飽和磁性体Ｍと、可飽和磁性体Ｍに巻回された検出コイルＬｐと、検出コイルＬｐを径方向から覆う磁気シールド５２を備えている。

図５に示すように、可飽和磁性体Ｍと検出コイルＬｐは磁気センサＳを構成する。可飽和磁性体Ｍの材料については特に限定されないが、アモルファス磁性金属を用いることが好ましい。アモルファス磁性金属は、単層構造であっても構わないし、複数のアモルファス磁性金属膜を厚み方向に積層した構造であっても構わない。

磁気センサＳは、ｘ方向を長手方向とする可飽和磁性体Ｍに検出コイルＬｐが巻回された構成を有していることから、ｘ方向の磁界に応じて検出コイルＬｐのインダクタンスが変化する。つまり、磁気センサＳの感度軸方向はｘ方向である。検出コイルＬｐは、支持体５１に設けられた端子５３を介して、基板２０に実装された図示しない検出回路に接続される。検出回路は、基板２０に設けられた端子２１を介して電流センサ１の外部に接続される。尚、検出回路については、基板２０に設けても構わないし、一部又は全部を電流センサ１の外部に設けても構わない。

磁気シールド５２は、フェライトなどの高透磁率材料からなり、磁気センサＳを外乱磁界から遮蔽する役割を果たす。磁気シールド５２は、磁気センサＳと同軸に配置され、感度軸方向であるｘ方向と直交する径方向から磁気センサＳを覆う筒状体である。このような筒状の磁気シールド５２によって磁気センサＳを径方向から覆うことにより、磁気センサＳの径方向から入射する外乱磁界が磁気シールド５２によってバイパスされることから、外乱磁界が磁気センサＳに直接印加されることがない。これによって、磁気センサＳのＳＮ比を高めることが可能となる。

磁気シールド５２は、図６に示すように２つのブロック５２ａ，５２ｂをｚ方向に組み合わせたものであっても構わない。２つのブロック５２ａ，５２ｂは、互いに同じ形状を有しており、両者をｚ方向に組み合わせることによってｘ方向に延在する内径部５２ｃが形成され、この内径部５２ｃに磁気センサＳが挿入される。図６に示す例では、ブロック５２ａ，５２ｂに設けられた切り欠きによって、部分的な開口部５２ｄが形成されている。このような開口部５２ｄを設ければ、内径部５２ｃに挿入した磁気センサＳを視認することができるとともに、材料コストを低減することが可能となる。また、２つのブロック５２ａ，５２ｂの接着面積も小さくすることができる。開口部５２ｄが存在する部分においては、磁気センサＳが磁気シールド５２によって覆われず、径方向に露出した状態となるが、開口部５２ｄのｚ方向における幅が十分に狭ければ、径方向からの外乱磁界は開口部５２ｄを通過することなく、ほとんどが磁気シールド５２に吸収される。このため、開口部５２ｄの存在がシールド特性を低下させることはほとんどない。

また、図６に示す例では、２つのブロック５２ａ，５２ｂをｚ方向に組み合わせているが、これらをｙ方向に組み合わせたても構わない。このように、２つのブロック５２ａ，５２ｂを組み合わせれば、筒状体である磁気シールド５２を容易に作成することが可能となる。しかも、いずれのブロック５２ａ，５２ｂもｘ方向には分断されていないことから、ｘ方向には磁気ギャップが存在しない。このため、外乱磁界のうち、磁気センサＳの感度軸方向であるｘ方向成分をより効果的に取り除くことが可能となる。但し、磁気シールド５２を２つのブロック５２ａ，５２ｂによって構成することは必須でなく、図７に示すように、単一のブロックによって磁気シールド５２を構成しても構わない。図７に示す例においても磁気シールド５２の側壁に開口部５２ｄを設けているが、このような開口部５２ｄを設けることは必須でない。

図８は、本体部１０からコア４０及びセンサユニット５０を取り外した状態を示す略斜視図である。

図８に示すように、補償コイルＣはボビン３０に巻回される。補償コイルＣは、補償電流によって磁気センサＳにｘ方向の磁束を与え、これによってクローズドループ制御を行うために設けられる。補償電流は、端子３４を介して補償コイルＣに供給される。ボビン３０は、ｘ方向に延在し補償コイルＣが巻回される巻芯部３１と、巻芯部３１のｘ方向における両端部に設けられた鍔部３２，３３を有している。センサユニット５０が挿入される中空部３９は、巻芯部３１及び鍔部３２，３３をｘ方向に貫通するように設けられている。

バスバーＢは、測定対象電流Ｉが流れる電流経路であり、ｚ方向に延在する第１及び第２の電流経路Ｂ１，Ｂ２と、ｙ方向に延在し、電流経路Ｂ１と電流経路Ｂ２を接続する第３の電流経路Ｂ３とを有している。これにより、第１の電流経路Ｂ１と第２の電流経路Ｂ２には、測定対象電流Ｉが互いに逆方向に流れる。バスバーＢは、第１〜第３の電流経路Ｂ１〜Ｂ３によって磁気センサＳを囲むように配置されていることから、バスバーＢに測定対象電流Ｉが流れると、磁気センサＳにはｘ方向の磁束が印加される。そして、クローズドループ制御により磁束を打ち消す電流が補償コイルＣに流れ、その電流値を基板２０等に設けられた検出回路を用いて測定することにより、バスバーＢに流れる測定対象電流Ｉの電流量を測定することが可能となる。

図９は、コア４０の形状を説明するための略斜視図である。

図９に示すように、コア４０は、パーマロイなどの磁性金属材料を折り曲げ加工してなり、測定対象電流Ｉによって発生する磁束φの磁路として機能する。コア４０は、磁気センサＳのｘ方向における両側に位置する第１及び第２の部分４１，４２と、第１の部分４１と第２の部分４２を接続するようｙ方向に延在する第３及び第４の部分４３，４４とを含む環状構造を有している。コア４０の第１及び第２の部分４１，４２は、磁気センサＳをｘ方向から覆うｙｚ面を有している。このため、磁気センサＳは、コア４０の第１及び第２の部分４１，４２によってｘ方向から挟まれることになる。また、コア４０の第３の部分４３と第４の部分４４は互いに独立して設けられており、いずれも、バスバーＢの第３の電流経路Ｂ３をｚ方向から覆う位置に設けられている。これに対し、バスバーＢの第１及び第２の電流経路Ｂ１，Ｂ２は、コア４０によってｙ方向から覆われることなく露出している。

さらに、図８に示すように、ボビン３０の鍔部３２には、ｘ方向に突出した位置決め部３２ａが形成されている。図示しないが、ボビン３０の鍔部３３にも同様の位置決め部が設けられている。位置決め部３２ａの内径形状は、コア４０の第１の部分４１の外径形状に対応しており、これにより、コア４０の第１の部分４１はボビン３０の位置決め部３２ａによって位置決めされる。図示しないが、コア４０の第２の部分４２についても、鍔部３３に設けられた同様の位置決め部によって位置決めされる。したがって、コア４０をボビン３０の上側から挿入し、ボビン３０の位置決め部３２ａと干渉する位置までコア４０を押し下げることにより、コア４０を正しい位置に固定することが可能となる。

かかる構成により、図８に示す方向に測定対象電流Ｉが流れると、コア４０には図９に示す方向に磁束φが流れる。つまり、コア４０の第３の部分４３と第４の部分４４には、いずれもｘプラス方向に磁束φが流れ、この磁束φはコア４０の第１の部分４１にてぶつかり、磁気センサＳに対してｘマイナス方向の磁束φを与える。そして、磁気センサＳを通過した磁束φは、コア４０の第２の部分４２に印加され、第３の部分４３と第４の部分４４に分配される。これにより、測定対象電流Ｉにより発生した磁束φが効率よく磁気センサＳに印加されることから、バスバーＢに流れる測定対象電流Ｉを感度良く測定することが可能となる。

しかも、本実施形態においては、コア４０の第３及び第４の部分４３，４４がバスバーＢの第１及び第２の電流経路Ｂ１，Ｂ２をｙ方向から覆うことなく、第３の電流経路Ｂ３をｚ方向から覆う位置に設けられていることから、電流センサ１のｙ方向における幅を縮小することが可能となる。これにより、環状構造を有するコアを用いた従来の電流センサに比べて、実質的に同じ特性を確保しつつ、ｙ方向における幅をより縮小することが可能となる。環状構造を有するコア４０は、外乱磁界によって生じる磁束を２分岐させることから、外乱磁界が磁気センサＳに対して影響を与えにくいという特徴を有している。

そして、本実施形態による電流センサ１は、模式的なｙｚ断面図である図１０に示すように、磁気センサＳを径方向から覆う磁気シールド５２を備えていることから、磁気センサＳの径方向から入射する外乱磁界が磁気シールド５２によってシールドされる。つまり、感度軸方向であるｘ方向の外乱磁界はコア４０によってシールドされ、その他の方向からの外乱磁界は磁気シールド５２によってシールドされることから、ほぼ全方向からの外乱磁界を遮蔽することができる。これにより、外乱磁界よる検出精度の低下を防止することが可能となる。

図１１は、磁気センサＳを構成する可飽和磁性体Ｍとコア４０の第１の部分４１の近傍を拡大した模式図である。

図１１に示す例では、磁気センサＳを構成する可飽和磁性体Ｍとコア４０の第１の部分４１のｘ方向における距離Ｇ０は、磁気シールド５２とコア４０の第１の部分４１のｘ方向における距離Ｇ１とほぼ一致している。これにより、可飽和磁性体Ｍが径方向に露出しないことから、高いシールド特性を得ることが可能となる。しかも、磁気シールド５２がｘ方向に突出していないため、計測に必要な磁束φ（図９参照）が磁気シールド５２に流れる割合を抑えることができる。特に、可飽和磁性体Ｍの材料としてアモルファス磁性金属を用い、磁気シールド５２の材料としてフェライトを用いた場合、可飽和磁性体Ｍの方が磁気シールド５２よりも透磁率が大幅に高いことから、距離Ｇ０と距離Ｇ１がほぼ一致していれば、計測に必要な磁束φの多くは磁気シールド５２に流れることなく、可飽和磁性体Ｍを通過する。

但し、距離Ｇ０と距離Ｇ１を一致させることは必須でなく、図１２に示すように、距離Ｇ０を距離Ｇ１よりも短くしても構わない。この場合、可飽和磁性体Ｍが径方向に僅かに露出するものの、計測に必要な磁束φのほとんどが可飽和磁性体Ｍを通過することから、磁気シールド５２を用いたことによる感度の低下がほとんど生じない。図１１及び図１２に示すように、可飽和磁性体Ｍとコア４０の第１の部分４１のｘ方向における距離Ｇ０は、磁気シールド５２とコア４０の第１の部分４１のｘ方向における距離Ｇ１以下であることが好ましい。この点は、コア４０の第２の部分４２に関しても同様である。

図１３は、磁気シールド５２の代わりに径方向から補償コイルＣを覆う別の磁気シールド６０を用いた例を示す模式的なｙｚ断面図である。図１３が例示するように、補償コイルＣの内径部と磁気センサＳの間に磁気シールド５２を配置することは必須でなく、補償コイルＣの周囲を径方向から覆う位置に磁気シールド６０を配置しても構わない。この場合であっても、磁気センサＳが径方向から磁気シールド６０によって覆われることから、外乱磁界よる検出精度の低下を防止することが可能となる。さらに、磁気シールド５２と磁気シールド６０の両方を用いれば、より高いシールド特性を得ることが可能となる。

図１４は、変形例によるコア４０の形状を示す略斜視図である。図１４に示すコア４０は、第１の部分４１と第２の部分４２が第５の部分４５によって接続された形状を有している点において、図９に示したコア４０と相違している。つまり、図１４に示すコア４０は環状構造を有しておらず、板状体を折り曲げた形状を有している。このような形状を有するコア４０を用いた場合であっても、磁束の磁路としての機能及びシールド機能を確保することが可能である。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

１ 電流センサ
１０ 本体部
１１，１２ ケース
２０ 基板
２１ 端子
３０ ボビン
３１ 巻芯部
３２，３３ 鍔部
３２ａ 位置決め部
３４ 端子
３９ 中空部
４０ コア
４１ 第１の部分
４２ 第２の部分
４３ 第３の部分
４４ 第４の部分
４５ 第５の部分
５０ センサユニット
５０ａ 軸状部
５１ 支持体
５２ 磁気シールド
５２ａ，５２ｂ ブロック
５２ｃ 内径部
５２ｄ 開口部
５３ 端子
６０ 磁気シールド
Ｂ バスバー
Ｂ１ 第１の電流経路
Ｂ２ 電流経路
Ｂ２ 第２の電流経路
Ｂ３ 第３の電流経路
Ｃ 補償コイル
Ｌｐ 検出コイル
Ｍ 可飽和磁性体
Ｓ 磁気センサ
φ 磁束

Claims (8)

1. 磁気センサと、
   測定対象電流によって前記磁気センサの感度軸方向に磁束を発生させるバスバーと、
   前記磁束の磁路であり、前記磁気センサの前記感度軸方向における両側に位置する第１及び第２の部分を含むコアと、
   前記磁気センサと同軸に配置され、前記感度軸方向と直交する径方向から前記磁気センサを覆う筒状の磁気シールドと、を備えることを特徴とする電流センサ。
2. 前記コアと前記磁気センサの前記感度軸方向における距離は、前記コアと前記磁気シールドの前記感度軸方向における距離以下であることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記バスバーは、前記測定対象電流が互いに逆方向に流れる第１及び第２の電流経路を含み、
   前記コアは、互いに独立して設けられ、前記バスバーの前記第１及び第２の電流経路を覆うことなく、前記第１の部分と前記第２の部分を接続する第３及び第４の部分をさらに含む環状構造を有す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。
4. 補償電流によって前記感度軸方向に磁束を発生させる補償コイルをさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電流センサ。
5. 前記補償コイルが巻回された巻芯部と、前記巻芯部の前記感度軸方向における両端部に位置する第１及び第２の鍔部を有するボビンをさらに備え、
   前記巻芯部には、前記感度軸方向に延在する中空部が設けられており、
   前記磁気センサ及び前記磁気シールドは、前記中空部に挿入されていることを特徴とする請求項４に記載の電流センサ。
6. 前記ボビンの前記第１及び第２の鍔部の少なくとも一方は、前記コアを位置決めするための位置決め部を有していることを特徴とする請求項５に記載の電流センサ。
7. 前記磁気シールドは、前記径方向から前記補償コイルを覆うことを特徴とする請求項４に記載の電流センサ。
8. 前記磁気シールドを構成する磁性材料は、前記磁気センサを構成する磁性材料よりも透磁率が低いことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の電流センサ。

Images