JP2019144017A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】外乱磁界の影響を受けにくい小型の電流センサを提供する。【解決手段】ｙ方向を感磁方向とし、ｘ方向におけるサイズよりもｚ方向におけるサイズの方が大きい可飽和磁性体Ｍと、ｙ方向が軸方向となるよう可飽和磁性体Ｍに巻回された検出コイルＣと、測定対象電流Ｉによって可飽和磁性体Ｍにｙ方向の磁束を発生させるバスバーＢと、磁束の磁路であり、ｚ方向から可飽和磁性体Ｍを覆うことなく、ｘ方向及びｙ方向から可飽和磁性体Ｍを取り囲む環状のコア２０と備える。本発明によれば、コア２０が環状構造を有していることから、ｘ方向に及びｙ方向からの外乱磁界をコア２０によって遮蔽することができるとともに、ｚ方向から見た可飽和磁性体Ｍの露出面積が低減されていることから、ｚ方向からの外乱磁界の影響が抑えられる。これにより、外乱磁界の影響を受けにくい小型の電流センサを提供することが可能となる。【選択図】図１

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、測定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。

しかしながら、特許文献１に記載された電流センサは、コアに設けられたギャップ間に磁気センサが配置される構成を有していることから、コアに外乱磁界が侵入すると、その一部が磁気センサに印加されてしまう。このため、特許文献１に記載された電流センサは、外乱磁界の影響を受けやすいという問題を有している。

これに対し、特許文献２に記載された電流センサは、コアが箱形形状を有しており、磁気センサのほぼ全面がコアによって覆われる構成を有していることから、外乱磁界の影響を受けにくい。

特許第３３０１５２６号公報 特許第５００６５１１号公報

しかしながら、特許文献２に記載された電流センサは、箱形形状を有する大型のコアを使用する必要があることから、小型化に適さないという問題があった。

したがって、本発明は、外乱磁界の影響を受けにくい小型の電流センサを提供することを目的とする。

本発明による電流センサは、第１の方向を感磁方向とし、第１の方向と直交する第２の方向におけるサイズが第１の大きさであり、第１及び第２の方向と直交する第３の方向におけるサイズが第１の大きさよりも大きい第２の大きさである可飽和磁性体と、第１の方向が軸方向となるよう、可飽和磁性体に巻回された検出コイルと、測定対象電流によって可飽和磁性体に第１の方向の磁束を与えるバスバーと、磁束の磁路であり、第３の方向から可飽和磁性体を覆うことなく、第１及び第２の方向から可飽和磁性体を取り囲む環状のコアと備えることを特徴とする。

本発明によれば、コアが環状構造を有していることから、第１及び第２の方向からの外乱磁界をコアによって遮蔽することができるとともに、第３の方向から見た可飽和磁性体の露出面積が低減されていることから、第３の方向からの外乱磁界の影響が抑えられる。これにより、外乱磁界の影響を受けにくい小型の電流センサを提供す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、可飽和磁性体を第２の方向から挟む第１及び第２の電流経路を有していても構わない。これによれば、バスバーによって発生する磁束を効率よく可飽和磁性体に印加することが可能となる。

本発明において、可飽和磁性体はアモルファス磁性金属からなるものであっても構わない。これによれば、高い検出感度を得ることが可能となる。

このように、本発明によれば、外乱磁界の影響を受けにくい小型の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１０の構成を示す略斜視図である。 図２は、電流センサ１０をｘ方向から見た側面図である。 図３は、電流センサ１０をｙ方向から見た正面図である。 図４は、電流センサ１０をｚ方向から見た上面図である。 図５は、磁気センサＳの構造を説明するための略斜視図である。 図６は、測定対象電流Ｉによって生じる磁束φｉの流れを説明するための模式図である。 図７は、ｘ方向の外乱磁界が生じた場合における磁束φｘの流れを説明するための模式図である。 図８は、ｙ方向の外乱磁界が生じた場合における磁束φｙの流れを説明するための模式図である。 図９は、電流センサ１０の効果を説明するためのグラフである。 図１０は、比較例による電流センサ１０Ａの構成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１０の構成を示す略斜視図である。また、図２は電流センサ１０をｘ方向から見た側面図であり、図３は電流センサ１０をｙ方向から見た正面図であり、図４は電流センサ１０をｚ方向から見た上面図である。

本実施形態による電流センサ１０は、フラックスゲート型の磁気センサを用いた電流センサであり、図１〜図４に示すように、ｙ方向を感磁方向とするフラックスゲート型の磁気センサＳと、磁気センサＳをｘ方向及びｙ方向から取り囲む環状のコア２０と、測定対象電流Ｉが流れるバスバーＢを備えている。

磁気センサＳは、図５に示すように、ｙ方向を長手方向とする可飽和磁性体Ｍに検出コイルＣが巻回された構成を有している。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。ここで、可飽和磁性体Ｍのｘ方向におけるサイズをＬｘ、ｙ方向におけるサイズをＬｙ、ｚ方向におけるサイズをＬｚとした場合、Ｌｙ＞Ｌｚ＞Ｌｘである。

磁気センサＳは、ｙ方向を長手方向とする可飽和磁性体Ｍに検出コイルＣが巻回された構成を有していることから、ｙ方向の磁界に応じて検出コイルＣのインダクタンスが変化する。つまり、磁気センサＳの感磁方向はｙ方向である。検出コイルＣの両端Ｓ１，Ｓ２は、図示しない検出回路に接続される。

コア２０は、フェライトやパーマロイなどの高透磁率材料からなる環状体であり、測定対象電流Ｉによって発生する磁束の磁路として機能する。コア２０は、磁気センサＳをｙ方向における両側から覆う壁状部２１，２２と、磁気センサＳをｘ方向における両側から覆う壁状部２３，２４からなり、これにより、磁気センサＳはコア２０によってｘ方向及びｙ方向から取り囲まれる。これに対し、コア２０は磁気センサＳをｚ方向から覆う部分を有しておらず、このためｚ方向から見ると磁気センサＳが露出した状態である。

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、ｘ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の電流経路Ｂ１は、磁気センサＳとコア２０の壁状部２４の間に配置され、バスバーＢの電流経路Ｂ２は、磁気センサＳとコア２０の壁状部２３の間に配置される。これにより、可飽和磁性体Ｍは、電流経路Ｂ１，Ｂ２によってｘ方向から挟まれることになる。

そして、バスバーＢに測定対象電流Ｉが流れると、図６に示すように、ｚ方向から見て、バスバーＢの電流経路Ｂ１には左回り（反時計回り）の磁束φｉが発生し、バスバーＢの電流経路Ｂ２には右回り（時計回り）の磁束φｉが発生する。磁束φｉの大部分はコア２０に沿って流れるため、壁状部２３，２４における磁束φｉの向きは互いに同じとなる。そして、壁状部２２に達した磁束φｉは、壁状部２２のｘ方向における略中央部でぶつかり、磁気センサＳを構成する可飽和磁性体Ｍに印加される。そして、可飽和磁性体Ｍをｙ方向に通過した磁束φｉは、壁状部２１のｘ方向における略中央部に印加され、左右に分配される。これにより、バスバーＢから生じる磁束φｉが効率よく可飽和磁性体Ｍに印加される。そして、可飽和磁性体Ｍのインダクタンスの変化は、検出コイルＣの両端Ｓ１，Ｓ２に接続された図示しない検出回路によって検出され、これにより、測定対象電流Ｉの電流量が算出される。

図７及び図８は、それぞれｘ方向及びｙ方向の外乱磁界が生じた場合における磁束φｘ，φｙの流れを説明するための模式図である。

図７に示すように、ｘ方向の外乱磁界による磁束φｘがコア２０の壁状部２４に与えられた場合、コア２０の壁状部２１，２２には同方向に磁束φｘが流れ、その後、壁状部２３から磁束φｘが抜けていく。また、図８に示すように、ｙ方向の外乱磁界による磁束φｙがコア２０の壁状部２１に与えられた場合、コア２０の壁状部２３，２４には同方向に磁束φｙが流れ、その後、壁状部２２から磁束φｙが抜けていく。このように、本実施形態においては、ｘ方向又はｙ方向の外乱磁界が生じている場合であっても、環状構造を有するコア２０を介して磁束φｘ，φｙがバイパスすることから、外乱磁界による磁束φｘ，φｙが磁気センサＳに印加されることがない。つまり、ｘ方向又はｙ方向の外乱磁界については、コア２０によって効果的にシールドされる。

これに対し、コア２０はｚ方向が開放されていることから、ｚ方向の外乱磁界についてはコア２０によってシールドすることができない。しかしながら、本実施形態による電流センサ１０は、感磁方向をｙ方向に向けた状態で、ｚ方向から見た可飽和磁性体Ｍの露出面積が最小となるよう、可飽和磁性体Ｍを立てて配置していることから、可飽和磁性体Ｍがｚ方向の外乱磁界に晒される面積が最小限となる。これにより、ｚ方向の外乱磁界による影響を最小限に抑えることが可能となる。

図９は、本実施形態の効果を説明するためのグラフであり、特性ａは本実施形態による電流センサ１０の特性を示し、特性ｂは図１０に示す比較例による電流センサ１０Ａの特性を示す。図１０に示すように、比較例による電流センサ１０Ａは、Ｌｙ＞Ｌｘ＞Ｌｚであり、本実施形態による電流センサ１０と比べると、可飽和磁性体Ｍを９０°寝かせた状態で配置している点において相違している。

図９は、外乱磁界の強度と電流センサ１０のオフセット量、つまり、検出誤差との関係を示している。図９に示すように、本実施形態による電流センサ１０は、比較例による電流センサ１０Ａと比べてオフセット量が小さく、これにより、外乱磁界の影響を受けにくいことが分かる。

以上説明したように、本実施形態による電流センサ１０は、コア２０が環状構造を有していることから、ｘ方向及びｙ方向からの外乱磁界をコア２０によって遮蔽することができるとともに、コア２０のサイズを小型化することができる。しかも、ｚ方向から見た可飽和磁性体Ｍの露出面積が低減されていることから、ｚ方向からの外乱磁界が可飽和磁性体Ｍに印加されにくい。小型化を実現しつつ、バスバーＢに流れる測定対象電流Ｉをより正確に測定することが可能となる。

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。

例えば、上記実施形態では、ｚ方向から見た可飽和磁性体Ｍの露出面積が最小となるよう、可飽和磁性体Ｍを立てて配置しているが、可飽和磁性体Ｍを厳密に立てて配置することは必須でなく、感磁方向であるｙ方向を軸として多少の傾きを持って配置しても構わない。

１０，１０Ａ 電流センサ
２０ コア
２１〜２４ 壁状部
２４ 壁状部
Ｂ バスバー
Ｂ１ 第１の電流経路
Ｂ２ 第２の電流経路
Ｂ３ 第３の電流経路
Ｃ 検出コイル
Ｉ 測定対象電流
Ｍ 可飽和磁性体
Ｓ 磁気センサ
Ｓ１，Ｓ２ 検出コイルの両端
φｉ，φｘ，φｙ 磁束

Claims (3)

1. 第１の方向を感磁方向とし、前記第１の方向と直交する第２の方向におけるサイズが第１の大きさであり、前記第１及び第２の方向と直交する第３の方向におけるサイズが前記第１の大きさよりも大きい第２の大きさである可飽和磁性体と、
   前記第１の方向が軸方向となるよう、前記可飽和磁性体に巻回された検出コイルと、
   測定対象電流によって前記可飽和磁性体に前記第１の方向の磁束を与えるバスバーと、
   前記磁束の磁路であり、前記第３の方向から前記可飽和磁性体を覆うことなく、前記第１及び第２の方向から前記可飽和磁性体を取り囲む環状のコアと、備えることを特徴とする電流センサ。
2. 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、前記可飽和磁性体を前記第２の方向から挟む第１及び第２の電流経路を有していることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記可飽和磁性体がアモルファス磁性金属からな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。

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