JP4890506B2 - 電流検出器 - Google Patents

Description

本発明は、電流の測定や検出、フィードバック制御等に利用される磁気比例方式の電流検出器に関する。

この種の電流検出器に関する先行技術として、被検出電流によって生じる磁界をホール素子で電圧信号に変換し、そこから間接的に電流値を検出する電流センサが知られている（例えば、特許文献１参照。）。この公知の電流センサは磁気回路を構成する磁性体コアを備えており、このコアに形成されたギャップ（有効空隙）内にホール素子が配置されている。被検出電流によってコア内部に生じる磁界はギャップ間を通って周回し、ホール素子で電圧信号（ホール電圧）に変換される。

特に上記の先行技術は、被検出電流が流れる電流ライン（電線）や磁性体コア、ホール素子等を樹脂製のモールドで一体的に固定し、これら全体を１つの部品として形成している。このため、磁性体コアとホール素子との位置関係が常に一定であることから、電流測定時にギャップ内でホール素子に作用する磁界の強さが安定し、それによって測定誤差の発生を抑えることができると考えられる。
特開昭５９−９５６５号公報

上記の先行技術は、電流センサの製造時にホール素子をギャップ内に挿入した状態でこれらを樹脂モールドで固めることにより、製造後のホール素子の位置ずれによる測定誤差の発生を抑えようとするものである。しかしながら、厳密に言うとギャップ内で発生する磁界の分布は均一でなく、同じギャップ内でも微少な位置の違いによって磁界の強度は異なってくる。このため例えば、ギャップ内で磁界の分布に偏りが生じている場合、ホール素子の位置を予め一箇所に固定していたとしても、その位置で常に適切な測定環境が得られているとは限らない。

例えば、ギャップ内での磁界の分布状況からみて、最も効率的に測定結果が得られる最適位置があったとしても、先行技術の手法では必ずしもその最適位置にホール素子が固定されるとは限らない。このため、場合によっては非効率な位置（例えば測定対象となる磁界がほとんど分布していない位置、あるいは測定対象でない磁界の方が多く分布している位置）にホール素子が固定されてしまう可能性がある。このような状況にあっては、測定誤差を抑えるより以前に測定環境そのものが適切でないため、電流センサが本来意図している測定結果を満足に得ることができないという問題がある。

そこで本発明は、電流検出器にとって適切な測定環境を実現することができる技術の提供を課題としたものである。

本発明は、被検出電流の導通時に発生する磁界の周回方向に沿って環状に配置され、その一部にギャップが形成された磁性体コアと、磁性体コアのギャップ内に配置され、被検出電流の導通時に磁性体コアを通じてギャップ内に発生する磁界の強さに応じた電圧信号を出力するホール素子とを備えた電流検出器である。特に本発明の電流検出器は、ホール素子の外面に接する一対の側壁を有し、これら一対の側壁の間にホール素子を挟み込んだ状態でギャップ内にホール素子とともに保持部材を挿入して一対の側壁の外面がギャップの両端でそれぞれ磁性体コアに接しつつホール素子を保持するとともに、保持部材がホール素子を保持した状態で、ギャップの全長と一対の側壁の厚みとの関係から定められるギャップ内の所定位置にホール素子を位置決めすることで上記の課題を解決する。

本発明の電流検出器によれば、保持部材がホール素子とともにギャップ内に挿入されてホール素子を保持しているため、確実にホール素子をギャップ内の所定位置に位置決めすることができる。このため、例えばギャップ内で測定に適した位置（例えば、測定対象となる磁界の分布が多い位置、あるいは測定対象でない磁界がほとんど存在していない位置）が事前に明らかであれば、その位置を狙ってホール素子を正確に位置決めすることができるので、それだけ電流検出器の精度を向上することができる。

より好ましくは、上記の保持部材は、ギャップ内での磁性体コアの周方向に関してホール素子を位置決めするものである。すなわち、同じギャップ内でも磁性体コアの周方向に関して磁界の分布にばらつきがある場合、その分布状況からみて測定に適した位置にホール素子を正確に位置決めすることができる。

本発明の電流検出器は、磁性体コアに対してギャップの近傍に配置され、磁性体コアの周方向でみて被検出電流の導通時に発生する磁界を打ち消す方向への逆磁界を発生させる二次巻線をさらに備える。この場合、保持部材は、二次巻線による逆磁界の発生に伴いギャップ内で磁界が消失する位置にホール素子を位置決めするものである。

上記のように二次巻線を備える場合、電流検出器はいわゆるサーボタイプとなる。このようなサーボタイプの電流検出器は、被検出電流の導通時に発生する磁界を二次巻線への通電により発生する逆磁界で打ち消しつつ、ホール素子から得られる電圧信号に基づいて二次巻線に流れる電流をフィードバック制御する目的に用いられる。例えば、逆磁界によってギャップ内の磁界が完全に打ち消されている状態をシステム（例えば電気回路）の定常状態とすれば、実際に制御上で目的とする定常状態にシステムが安定したとき、ホール素子からの電圧信号は適正値（＝０）となる。この場合、電圧信号を適正値に近づける方向に二次巻線の電流をフィードバック制御することで、システムの安定化を図ることができる。

ただし、実際にシステムが目的の定常状態で安定していたとしても、同じギャップ内で理想的に磁界が打ち消し合う位置は限られていることがある。この場合、その位置で正確にホール素子が位置決めされていなければ、得られる電圧信号にばらつきが生じることになり、電流検出器としての精度が低下してしまう。このため本発明では、ギャップ内で磁界が消失する位置で正確にホール素子を位置決めすることで、システムの状態を正確に表した電圧信号をホール素子から出力させている。これにより、本発明の電流検出器を用いてより高精度なフィードバック制御を実現することができる。

以上のように本発明の電流検出器は、ギャップ内での磁界の分布状況に合わせて適切な位置にホール素子を正しく配置することにより、高精度な測定結果を得ることができる。また、製造時にホール素子が正しく位置決めされた後も、保持部材によってその位置決め状態が保持されているため、電流検出器の使用時にホール素子の位置がずれてしまうことがなく、長期間にわたって最適な状態を維持し、高い検出精度を発揮し続けることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、一実施形態の電流検出器１００の構成を概略的に示す斜視図である。以下、電流検出器１００の構成について説明する。

〔磁性体コア〕
電流検出器１００は、例えばフェライト製の磁性体コア１０２を備えており、この磁性体コア１０２は全体として略角リング形状をなしている。磁性体コア１０２の内側（リングの内周）には略矩形状の電流導通部１０２ａが形成されており、この電流導通部１０２ａにはバスバー等の導体１０５が挿通されるものとなっている。電流検出器１００は導体１０５を通る電流を検出対象とするものであり、磁性体コア１０２は、導体１０５に被検出電流が流れる際に発生する磁界の周回方向に沿って環状に配置されている。

上記のように磁性体コア１０２は略角リング形状をなしており、そのため磁性体コア１０２にはそれぞれ一対の短辺部１０２ｂ及び長辺部１０２ｃが含まれている。また磁性体コア１０２には、一方の長辺部１０２ｃをその長手方向でみて部分的に切り欠くことでギャップ１０２ｄが形成されている。この例では、磁性体コア１０２の角リング内における１つのコーナー部近傍にギャップ１０２ｄが位置しており、このためギャップ１０２ｄの磁性体コア１０２の周方向でみて、ギャップ１０２ｄの片側には直近の位置に一方の短辺部１０２ｂが位置している。

〔二次巻線〕
また本実施形態では、磁性体コア１０２に二次巻線１０４が取り付けられている。図１では簡略化して示されているが、二次巻線１０４は例えば樹脂製のボビン１０４ａの外周に導線１０４ｂを螺旋状に巻き付けた構造である（図２中に参照符号を付す。）。ボビン１０４ａは例えば角筒形状をなしており、その外周面に沿って導線１０４ｂが必要なターン数だけ巻かれている。二次巻線１０４は、ギャップ１０２ｄに隣接した長辺部１０２ｃの外周に被せられるようにして取り付けられており、このため二次巻線１０４の一端（巻始め又は巻終わり）がギャップ１０２ｄの近傍に位置している。この状態で、二次巻線１０４の軸線（螺旋の中心線）は長辺部１０２ｃの長手方向でみた中心線と略一致している。なお図示されていないが、二次巻線１０４からはその巻始めと巻終わりにそれぞれつながるリード線が延びており、電流検出器１００の使用時には、これらリード線は例えば図示しない電気回路に接続される。

〔ホール素子〕
この他に、電流検出器１００はホール素子１０６を備えている。図１ではホール素子１０６が磁性体コア１０２から分離した状態で示されているが、ホール素子１０６はギャップ１０２ｄ内に挿入した状態で磁性体コア１０２に取り付けられる。ホール素子１０６は例えば樹脂封止によりパッケージされた電子部品であり、このホール素子１０６からも端子（例えばピン端子）が延びている。電流検出器１００の使用時には、これらピン端子は例えば図示しない基板上の増幅回路に接続される。

〔保持部材〕
さらに本実施形態では、ホール素子１０６が保持部材１０８により保持された状態でギャップ１０２ｄ内に挿入されるものとなっており、この保持部材１０８はホール素子１０６を保持した状態で、ギャップ１０２ｄ内でホール素子１０６を適切に位置決めすることができる。以下、この点について詳細に説明する。

図２は、保持部材１０８とともにホール素子１０６をギャップ１０２ｄ内に設置した状態を示す断面図（図１中のII−II断面）である。保持部材１０８は、図２に示されるように断面が略コ字形状（又はＣ字形状）をなしており、その内側には溝形状の保持部（図中参照符号なし）が形成されている。保持部材１０８は、この保持部を挟んで両側に一対の側壁１０８ａを有するほか、これら側壁１０８ａの一端を互いに連結する連結壁１０８ｂを有している。また、各側壁１０８ａの他端にはフランジ部１０８ｃが形成されており、これらフランジ部１０８ｃは各側壁１０８ａからギャップ１０２ｄの外側に向かって延びている。

保持部材１０８は、上記の保持部内にホール素子１０６を収容（挿入）した状態で、その一対の側壁１０８ａの間にホール素子１０６を挟み込んで保持している。このとき、一対の側壁１０８ａの間の内法はホール素子１０６の幅寸法（図中参照符号Ｗ）に略一致しており、また保持部材１０８の外形寸法（一対の側壁１０８ａの外面間）は磁界の周回方向（磁性体コア１０２の周方向）でみたギャップ１０２ｄの全長（図中参照符号ＬＧ）に略等しく設定されている。このため保持部材１０８は保持部内にホール素子１０６を収容した状態で、ギャップ１０２ｄ内にぴったりと収まるようにして挿入されている。

一対の側壁１０８ａの厚み（図中参照符号Ｔ）は互いに等しく設定されており、このため保持部材１０８はホール素子１０６を保持した状態で、ホール素子１０６を、ギャップ１０２ｄ内の中央位置に位置決めすることができる。なお、ギャップ１０２ｄの全長（ＬＧ）が一定でも、ホール素子１０６によってその幅寸法（Ｗ）が異なる場合、各側壁１０８ａの厚み（Ｔ）を適宜に調整することで上記の位置関係を保持すればよい。また保持部材１０８は、例えば樹脂等の非磁性材料で成型されており、このため保持部材１０８がギャップ１０２ｄ内で発生する磁界に対して特段の影響を及ぼすことはない。

〔保持部材による位置決め〕
次に、保持部材１０８によるホール素子１０６の位置決めについて説明する。上記のように、保持部材１０８はギャップ１０２ｄの中央位置（磁界の周回方向でみた中央位置）にホール素子１０６を位置決めするものであるが、この位置を本実施形態において最適とする理由は以下の通りである。

図３は、電流検出器１００の使用時におけるギャップ１０２ｄ内での磁界の分布状況を模式的に示した図である。一般にサーボタイプの電流検出器１００では、その使用時に被検出電流によってギャップ１０２ｄ内に発生する磁界に対し、これを打ち消す方向に二次巻線１０４から逆磁界を発生させることで、ギャップ１０２ｄ内での磁界を消失させた状態を保持するべく二次巻線１０４の電流を制御している。この場合、ホール素子１０６からの電圧信号はほとんど０になることから、このときの電圧信号（ホール電圧）をフィードバック信号として制御対象のシステム（例えば電気回路）を定常状態に制御することができる。

ただし、上記のようにギャップ１０２ｄ内の全域で磁界が完全に消失した状態はあくまで理論上の理想状態であり、実際にはシステムが定常状態で安定していたとしても、ギャップ１０２ｄ内にはわずかに残留磁界が存在していることがある。本発明の発明者等が行った検証（例えばシミュレーション解析）によれば、図３に示されているように、定常状態でもギャップ１０２ｄ内の両側縁部分にある程度の強度で残留磁界ＭＦ２が存在することが確認されており、さらにギャップ１０２ｄの角部にはより強い残留磁界ＭＦ１が存在することも確認されている。

本発明の発明者等は上記の検証結果に基づき、同じギャップ１０２ｄ内でも残留磁界ＭＦ１，ＭＦ２の影響を受けない中央の領域Ａにホール素子１０６を正しく配置することで、システムの定常状態でホール素子１０６から得られる電圧信号を理論上の値（＝０）に近づけることが可能であるとの結論に達した。すなわち、領域Ａでは磁界が消失しているため、ホール素子１０６をギャップ１０２ｄ内の中央位置（領域Ａ内）に正しく位置決めすることにより、電流検出器１００の検出信号として理論上の適正値を正確に出力させることができ、それによって電流検出器１００の製品としての精度を大幅に向上することができるのである。

さらに、本実施形態の電流検出器１００を複数個製造し、個々の性能を本発明の発明者等が統計的に評価した結果、ギャップ１０２ｄ内で保持部材１０８によるホール素子１０６の位置決めを行わない場合に比較して、保持部材１０８による位置決めを行った場合、ホール電圧の出力分布において標準偏差が大幅に向上することが確認されている。

さらに本実施形態では、保持部材１０８に一対のフランジ部１０８ｃが形成されているため、これらフランジ部１０８ｃを磁性体コア１０２の外面に密着させた状態で保持部材１０８を取り付けることができる。この状態で、フランジ部１０８ｃは磁界の周回方向と直交する方向（図２中でみて上方向）に関して保持部材１０８の変位を拘束し、その位置を安定化させるとともに、ギャップ１０２ｄから保持部材１０８が脱落するのを防止している。これにより、ギャップ１０２ｄ内でホール素子１０６が位置決めされた状態をより安定化させることで、電流検出器１００の精度をさらに向上することができる。

〔保持部材の別形態〕
図４は、別形態の保持部材２０８を用いてホール素子１０６を位置決めした場合の断面図である。別形態の保持部材２０８は、上記の側壁１０８ａを互いに分離したようなセパレートタイプであり、このような保持部材２０８は、例えばギャップ１０２ｄ内でホール素子１０６を両側から挟み込むようにして設置されている。この場合も同様に、保持部材２０８はホール素子１０６をギャップ１０２ｄ内で保持するとともに、その中央位置に保持部材２０８を正しく位置決めすることができる。

本発明は上述した一実施形態に制約されることなく、種々に変形して実施可能である。例えば、磁性体コア１０２の具体的な形状や大きさ、厚み等の仕様は、実際に対象とする被検出電流の特性に合わせて適宜に変更することができる。

また、一実施形態では磁性体コア１０２のコーナー部にギャップ１０２ｄを形成した例を挙げているが、ギャップ１０２ｄは長辺部１０２ｃ又は短辺部１０２ｂの中央部に形成されていてもよい。

一実施形態では、電流検出器１００をサーボタイプとしているが、特にこのタイプに限られることなく、二次巻線がないオープンタイプの電流検出器として本発明を実施してもよい。

磁性体コア１０２の形状は一実施形態で挙げた四角リング形状だけでなく、その他の多角形リング形状であってもよいし、円形状や楕円形状であってもよい。また磁性体コア１０２は、フェライト以外の磁性材料（珪素鋼板、鉄−ニッケル合金等）を用いて制作してもよい。

その他、図示とともに挙げた電流検出器１００やその一部の構造はあくまで好ましい一例であり、基本的な構造に各種の要素を付加し、あるいは一部を置換しても本発明を好適に実施可能であることはいうまでもない。

一実施形態の電流検出器の構成を概略的に示す斜視図である。 保持部材とともにホール素子をギャップ内に設置した状態を示す断面図（図１中のII−II線に沿う断面図）である。 電流検出器の使用時におけるギャップ内での磁界の分布状況を模式的に示した図である。 別形態の保持部材を用いてホール素子を位置決めした場合の断面図である。

符号の説明

１００ 電流検出器
１０２ 磁性体コア
１０２ａ 電流導通部
１０２ｂ 短辺部
１０２ｃ 長辺部
１０２ｄ ギャップ
１０４ 二次巻線
１０６ ホール素子
１０８，２０８ 保持部材

Claims (3)

1. 被検出電流の導通時に発生する磁界の周回方向に沿って環状に配置され、その一部にギャップが形成された磁性体コアと、
   前記ギャップ内に配置され、被検出電流の導通時に前記磁性体コアを通じて前記ギャップ内に発生する磁界の強さに応じた電圧信号を出力するホール素子と、
   前記ホール素子の外面に接する一対の側壁を有し、これら一対の側壁の間に前記ホール素子を挟み込んだ状態で前記ホール素子とともに前記ギャップ内に挿入されて前記一対の側壁の外面が前記ギャップの両端でそれぞれ前記磁性体コアに接しつつ前記ホール素子を保持するとともに、この保持状態にて、前記ギャップの全長と前記一対の側壁の厚みとの関係から定められる前記ギャップ内の所定位置に前記ホール素子を位置決めする保持部材と
   を備えた電流検出器。
2. 請求項１に記載の電流検出器において、
   前記保持部材は、
   前記ギャップ内での前記磁性体コアの周方向に関して前記ホール素子を位置決めすることを特徴とする電流検出器。
3. 請求項１又は２に記載の電流検出器において、
   前記磁性体コアに対して前記ギャップの近傍に配置され、前記磁性体コアの周方向でみて被検出電流の導通時に発生する磁界を打ち消す方向への逆磁界を発生させる二次巻線をさらに備え、
   前記保持部材は、
   前記二次巻線による逆磁界の発生に伴い前記ギャップ内で磁界が消失する位置に前記ホール素子を位置決めすることを特徴とする電流検出器。

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