JP5666192B2 - 電流センサ - Google Patents

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Description

本発明は、コアのギャップ内に磁気センサを設けた電流センサに関するものである。
従来、HV(ハイブリッド自動車)やEV(電気自動車)のバッテリにおいて、充電時あるいは放電時に流れる電流などの電流値を検出する電流センサが存在する。この電流センサにおいては、コアを電磁鋼板により形成しているものが一般的である。例えば特許文献1では、鉄、鉄系合金又はパーマロイなどの磁性体材料からなる板状の電磁鋼板を積層して形成したコアを使用した電流センサが開示されている。
そして、この種の電流センサでは、小型化及び低コスト化を図りたいという要望が強い。そこで、例えば特許文献2には、低コスト化を図るために、コアをフェライトで形成し、コアのギャップに中間コアを配置し、中間コアとコアの端面間に磁気センサを配置した電流センサが開示されている。
特開2002−296305号公報 特開2008−224260号公報
しかしながら、上記した電流センサにおいて、検出精度を向上させるためには、コアの断面積を大きくしなければならないという問題があった。なぜなら、検出精度を向上させるためには、磁気センサの電圧信号の変動を少なくすることが必要であり、そのためには、コアのギャップに配置される磁気センサを通過する磁束密度を均一にしなければならない。そして、磁気センサを通過する磁束密度を均一にするには、コアのギャップにおいて磁束密度が均一な領域を大きくしなければならないため、コアの断面積を大きくする必要があるのである。ところが、コアの断面積を大きくしてしまうと、電流センサの小型化及び低コスト化を図ることができない。
そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、検出精度を向上させつつ、小型化及び低コスト化を図ることができる電流センサを提供することを目的とする。
上記課題を解決するためになされた本発明の一形態は、ギャップを備え環状に形成され、その環状内側に挿入される検出対象物に流れる電流により発生する磁束の磁路となるコアと、前記ギャップ内に設けられ、前記ギャップ内の磁界の強さに応じた電気信号を発生する磁気センサとを有する電流センサにおいて、前記ギャップにて対向するコア端面間に、前記各コア端面に対向するように配置される1つのコア片を備え、前記コア片の厚さ及び幅が、前記コア端面の厚さ及び幅より小さくなく、かつ前記コア端面に対向する前記コア片の断面積が、前記コア端面の断面積よりも大きく、前記コア片は、前記コアの両端面から前記コア片の両側にギャップを介して配置され、少なくとも一方のギャップに前記磁気センサが配置されており、前記磁気センサの断面積は、前記コア端面の断面積よりも小さいことを特徴とする。
この電流センサでは、コアのギャップ内にコア片が配置されているため、磁束がコアからコア片に入りやすくなってギャップからの漏れ磁束が減る。従って、電流センサの検出精度を向上させることができる。また、コア片の断面積がコア端面の断面積よりも大きいので、コアのギャップにおける磁束密度のばらつきが小さくなり、磁束密度が均一となる領域が大きくなる。このため、コアの断面積を小さくすることができる。これにより、コアひいては電流センサの小型化、軽量化、及び低コスト化を図ることができる。
上記した電流センサにおいて、前記コア片の厚さと前記コア端面の厚さとの比、あるいは前記コア片の幅と前記コア端面の幅との比の少なくとも一方が、1.15以上であることが望ましい。
このようにすることにより、ギャップ内で磁束密度が均一となる領域をより確実に大きくすることができる。その結果、より確実に、電流センサの検出精度を向上させつつ、小型化及び低コスト化を図ることができる。
上記した電流センサにおいて、前記コア片の厚さと前記コア端面の厚さとの比、及び前記コア片の幅と前記コア端面の幅との比が、1.3以下であることが望ましい。
コア片の厚さ又は幅を、コア端面の厚さ又は幅に対して1.3倍より大きくしても、ギャップ内にて磁束密度が均一となる領域をそれ以上大きくすることができないからである。そして、コア片の断面積を上記した寸法比以下にてコア端面の断面積より大きくすることにより、コア片の大きさも極力小さくすることができる。このことは、電流センサの小型化、軽量化、及び低コスト化にも貢献する。
上記した電流センサにおいて、前記コア片は、前記コア端面間の中間位置に配置され、前記磁気センサは、前記コア端面の一方と前記コア片との間、及び前記コア端面の他方と前記コア片との間にて、前記コア片を基準に対称となる位置にそれぞれ配置されていることが望ましい。
こうすることにより、磁気センサを2つ使用するときに、コア端面の一方又は他方とコア片とのいずれかの間に磁気センサを2つ横に並べる場合に比べ、磁束密度の高い領域に各磁気センサを配置することができるとともに、各磁気センサに入る磁束量を同等にすることができる。従って、電流センサの検出精度を一層向上させることができ、小型化、軽量化、及び低コスト化も図ることができる。
上記した電流センサにおいて、前記磁気センサは、前記コア端面と前記コア片との中間位置よりも前記コア片側に配置されていることが望ましい。
磁束密度が均一な領域は、コア片側に形成されるため、磁気センサを上記した位置に配置することにより、磁束密度が均一な領域内に磁気センサを位置させることができる。これにより、電流センサの検出精度をより確実に向上させつつ、小型化、軽量化、及び低コスト化をより確実に図ることができる。
上記した電流センサにおいて、前記磁気センサは、前記コア片に密着して固定されていることが望ましい。
コア片に対して磁束が直角に入ってくるため、磁気センサをコア片に密着させることにより、磁気センサに対しても磁束が直角に入ってくるので、電流センサの検出精度を向上させることができる。
また、磁気センサがコア片に固定されているため、コア片を位置決めすると磁気センサも位置決めされる。このため、従来のように磁気センサ自体で位置決めする場合に比べ、磁気センサの位置決め精度が向上する。これにより、電流センサの検出精度が向上する。なお、コア片の位置決めは、コアと一体で樹脂モールドなどの一般的な方法で行えばよい。
本発明に係る磁気センサによれば、上記した通り、検出精度を向上させつつ、小型化及び低コスト化を図ることができる。
第1の実施の形態に係る電流センサの全体構成を示す図である。 コアの平面図である。 コアの正面図である。 コア片とコア端面との関係を示す図である。 コア片の大きさと均一な磁束密度が生じる範囲との関係を示すシミュレーション結果である。 従来のコアとのZ方向の大きさの違いを示す図である。 従来のコアとのY(及びX)方向の大きさの違いを示す図である。 第2の実施の形態に係る電流センサの主要部を示す図である。 第3の実施の形態に係る電流センサの主要部を示す図である。
以下、本発明の電流センサを具体化した実施の形態について、図面に基づき詳細に説明する。
[第1の実施の形態]
まず、第1の実施の形態について説明する。そこで、第1の実施の形態に係る電流センサについて、図1を参照しながら説明する。図1は、第1の実施の形態に係る電流センサの全体構成を示す図である。
図1に示すように、本実施の形態に係る電流センサ1は、コア10、コア片11、ホール素子12a,12b、筺体14、電子部品16、配線材18などを有している。
コア10は、略矩形の環状に形成されており、その環状の一部分が開放され、その開放端の間にギャップ20(隙間)を備えている。コア10は、内周面38の内側に挿入される図1に点線で示したバスバーなどの検出対象物22を取り囲んでおり、検出対象物22内に流れる電流により発生する磁束の磁路となるものである。なお、コア10の詳細については後述する。
コア片11は、コア10のギャップ20内の中間(中央)位置に設けられている。コア片11は、コア10と同じ材質で構成されている。本実施の形態では、コア10及びコア片11を同種の電磁鋼板(透磁率が等しい)により形成している。コア片11の詳細についても後述する。
なお、コア10とコア片11とをそれぞれ異なる材質(透磁率が異なる)で形成することもできる。このような場合でも、磁束密度への影響はほとんどない。但し、材料の飽和磁束密度については性能に影響があるため、大電流を検知する場合には、コア10及びコア片11の材質として、高飽和磁束密度の材料を用いることが好ましい。
ホール素子12a,12bは、コア10のギャップ20内に設けられている。より詳細には、ホール素子12aが、ギャップ20のうちコア片11とコア端面30a(図2参照)との間に形成されるギャップ20a内に配置されている。また、ホール素子12bが、ギャップ20のうちコア片11とコア端面30b(図2参照)との間に形成されるギャップ20b内に配置されている。なお、ホール素子12aと12bは、同じものである。
そして、各ホール素子12a,12bは、コア片11に密着して固定されている。これにより、各ホール素子12a,12bがコア片11に一体化され、コア片11を位置決めすることにより、2つのホール素子12a,12bを一度に位置決めすることができる。また、従来のようにホール素子自体で位置決めする場合に比べ、ホール素子12a,12bの位置決め精度を向上させることができる。
これらホール素子12a,12bは、ギャップ20内の磁界の強さに応じた電気信号を発生する素子である。このホール素子12a,12bからの電気信号に基づき電流値が検出される。なお、ホール素子12a,12bは、本発明における「磁気センサ」の一例であり、磁気センサとしてはその他に、例えばホールICなどを使用することもできる。
このように、2つのホール素子12a,12bは、コア片11を基準にして対称な位置に存在する。このため、ギャップ20a又は20bの一方にホール素子を2つ横に並べる場合に比べ、磁束密度の高い領域に各ホール素子12a,12bを配置することができるとともに、各ホール素子12a,12bに入る磁束量を同等にすることができる。また、各ホール素子12a,12bは、コア片11に密着して固定されているため、各ホール素子12a,12bに対して磁束が直角に入ってくる。なぜなら、コア片11に対して磁束が直角に入ってくるからである。これらのことは、各ホール素子12a,12bの検出精度を向上させるため、その結果として電流センサ1の検出精度が向上する。
筐体14は、樹脂などの非磁性体で形成され、上方開口した収容部24と、側方開口した筒形状のコネクタ装着部26とを備え、全体として略L字形状をなしている。収容部24には、コア10、コア片11、及びホール素子12a,12bが設けられると共に、ホール素子12a,12bの駆動制御回路を構成する各種の電子部品16が複数個設けられている。ホール素子12a,12bと各電子部品16、および各電子部品16同士は、配線材18を介して接続されている。また、コネクタ装着部26内に設けられたコネクタ端子27と各電子部品16とは、配線材18を介して接続されている。
収容部24には、検出対象物22を貫通させるようにして挿入するための矩形状の挿通孔28が設けられている。そして、挿通孔28の外周壁29にコア10が嵌め合わされ、挿通孔28を四角環状のコア10が取り囲み、収容部24の底面(不図示)に当接するようにコア10が設けられている。また、収容部24の底面には、コア片11の取付部(不図示)が設けられており、この取付部にコア片11を配置することにより、コア片11及びホール素子12a,12bの位置決めが行われるようになっている。
なお、収容部24内には封止材(不図示)が充填され、封止材の硬化によって収容部24内に設けられたコア10、コア片11(ホール素子12a,12b)、電子部品16、及び配線材18などが封止されている。これにより、コア10、コア片11(ホール素子12a,12b)、電子部品16、及び配線材18などが、収容部24内において所定の位置にて固定される。
ここで、コア10とコア片11について、図2〜図4を参照しながら詳細に説明する。図2は、コアの平面図である。図3は、図2に示すコアを手前側から見たコアの正面図である。図4は、コア片とコア端面との関係を示す図である。
コア10は、図2に示すように、ギャップ20を備え四角環状に形成されている。そして、コア10は、ギャップ20に面するコア端面30aと30bとが対向している。また、コア10においては、磁束が流れる方向(周方向)に対する直交断面における面積(断面積)が一定であり、どの箇所でも厚さ(高さ)TH及び幅Wが等しい。従って、コア端面30a,30bの面積は、コア10の断面積と等しい。なお、コア10はほぼ正方形に形成されているが、この形状に限定されず、長方形に形成してもよい。また、コア10は四角環状に形成されているが、これに限定されず、円環状に形成することもできる。
そして、図2及び図3に示すように、対向するコア端面30a,30b間の中間(中央)位置に、コア片11が配置されている。このコア片11の厚さth(Z方向の大きさ)及び幅w(Y方向の大きさ)は、コア端面30a,30b(コア10)の厚さTH及び幅Wよりも大きい。つまり、図4に示すように、コア片11の断面積sが、コア端面30a,30bの断面積Sよりも大きくなっている(s>S)。これにより、ギャップ20において磁束密度が均一な領域を大きくすることができる。この効果を得るために、本実施の形態では、コア片11の厚さth及び幅wが、コア端面30a,30bの厚さTH及び幅Wよりも大きいが、必ずしもコア片11の厚さth及び幅wともに、コア端面30a,30bよりも大きくする必要はない。すなわち、コア片11の厚さth及び幅wがコア端面30a,30bの厚さTH及び幅Wより小さくなければ、コア片11の厚さthあるいは幅wの少なくとも一方が、コア端面30a,30bの厚さTHあるいは幅Wよりも大きければ、上記した効果を得ることができる。
そこで、ギャップ20において磁束密度が均一な領域を大きくする場合におけるコア片11の最適な大きさについて、図5を参照しながら説明する。図5は、コア片の大きさと均一な磁束密度が生じる範囲との関係を示すシミュレーション結果である。図5において、コア片厚比とは、コア端面厚さに対するコア片厚さの割合(th/TH)を意味する。また、均一磁束密度領域率(%)とは、コア端面厚さに対する均一磁束密度領域のZ方向の大きさBzの割合(Bz/TH×100)を意味する。なお、このシミュレーションでは、2次元解析でありコア片の幅(Y方向長さ)の影響は無視している。
図5から、コア片11の大きさ(厚さth)をコア端面30a,30bの大きさ(厚さTH)より大きくすれば、磁束密度が均一な領域が拡がることがわかる。そして、コア片厚比が1.15以上で、均一磁束密度領域率が80%以上となる。ここで、コア片厚比が1.0、つまりコア片とコア端面とが同じ大きさの場合には、均一磁束密度領域率が70%程度である。従って、コア片厚比を1.15以上にすることにより、磁束密度が均一な領域を約10%以上拡大することができる。これにより、ギャップ20において、磁束密度が均一になる領域を確実に大きくすることができる。従って、コア10の断面積を大きくすることなく、電流センサ1の検出精度を向上させることができる。
一方、コア片厚比を1.3より大きくしても、均一磁束密度領域率が93%程度から大きくならない。このため、コア片厚比を1.3より大きくしても、磁束密度が均一な領域をそれ以上拡大することができなくなる。従って、コア片11の厚さthを、コア断面30a,30bの厚さTHの1.3倍よりも大きくする意味がない。
ここで、図5に示すシミュレーション結果は、コア片11の厚み(Z方向の大きさ)を変化させた場合についてのものであるが、コア片11の幅(Y方向の大きさ)を変化させた場合にも同様の結果が得られる。従って、コア片11の大きさ(厚さth、幅w)については、コア断面30a,30bとの関係で、th>TH及びw>Wを満たすとともに、th≦1.3TH及びw≦1.3Wを満たせばよい。好ましくは、th>1.15THあるいはw>1.15Wの少なくとも一方を満たすとともに、th≦1.3TH及びw≦1.3Wを満たすのがよい。これにより、コア片11を無意味に大きくすることなく、ギャップ20において、磁束密度が均一になる領域を確実に大きくすることができるからである。
また、図6に示すように、コア片の大きさを従来と同等にして、コア10の厚み(Z方向の大きさ)を従来の75%程度まで薄くしても、磁束密度が均一な領域を拡げることができる。そして、上記したように、コア10のY方向の大きさについても同様の効果を得ることができる。これらのことから、図6及び図7に示すように、一点鎖線で示す従来のコアに比べ、コア10を小型化することができるとともに、ホール素子12a,12bの電流値検出精度を向上させることができる。その結果、電流センサ1において、検出精度を向上させつつ、小型化、軽量化、及び低コスト化を図ることができる。なお、図6は、従来のコアとのZ方向の大きさの違いを示す図である。図7は、従来のコアとのY(及びX)方向の大きさの違いを示す図である。
なお、コア片11は、図2〜図4に示すように、ギャップ20の中間(中央)位置において、コア10の中心軸上にコア片11の中心が位置するように配置されている。そして、ホール素子12a,12bも、コア10の中心軸上に素子12a,12bの中心が位置するように配置されている。
上記のように構成された電流センサ1は、以下のようにして検出対象物22に流れる電流の電流値を検出する。
まず、導電部材(例えば、バスバー)などの検出対象物22を収容部24の挿通孔28内に貫通させるようにして挿入する。
次に、電流センサ1の検出信号を入力する外部装置(不図示)のコネクタ(不図示)をコネクタ装着部26に挿入し、外部装置とコネクタ装着部26内のコネクタ端子27とを接続する。
そして、検出対象物22に電流を流すと、その電流によってコア10内に磁束が発生し、その磁束によってギャップ20に形成された磁路中に配置されたホール素子12a,12bは、当該磁束に対応したホール効果による電圧(ホール電圧)を発生する。このとき、ギャップ20において、磁束密度が均一な領域が拡大されているため、各ホール素子12a,12bを通過する磁束密度が均一となる。また、各ホール素子12a,12bに対して磁束が直角に入る。
ここで、ホール素子12a,12bが発生するホール電圧は、コア10内の磁束に対応するだけでなく、その磁束を発生させた検出対象物22に流れる電流の電流値にも対応するため、その電流値の検出信号といえる。そのため、ホール素子12a,12bの発生したホール電圧を検出信号として外部装置へ出力する。
このようにして電流センサ1は、環状のコア10に挿通された検出対象物22に流れる電流の電流値を、コア10のギャップ20内に設けられたホール素子12a,12bによって検出する。そして、各ホール素子12a,12bを通過する磁束密度が均一であるため、検出対象物22に流れる電流の電流値を精度良く検出することができる。
以上、詳細に説明したように第1の実施の形態に係る電流センサ1によれば、コア10のギャップ20内にコア片11が設けられ、コア片11の厚さ(高さ)th及び幅wが、コア端面30a,30bの厚さTH及び幅Wより小さくなく、かつコア片11の断面積sが、コア端面の面積Sよりも大きくされている。そのため、ギャップ20において、磁束がコア10からコア片11に入りやすくなり、ギャップ20からの漏れ磁束が減るとともに、ギャップ20における磁束密度のばらつきが小さくなり、磁束密度が均一となる領域が大きくなる。従って、電流センサ1の検出精度を向上させつつ、小型化、軽量化、及び低コスト化を図ることができる。
[第2の実施の形態]
次に、第2の実施の形態について説明する。第2の実施の形態は、第1の実施の形態と基本的な構成はほぼ同じであるが、ホール素子を1つとした点が異なっている。そのため、以下では、第1の実施の形態と同じ構成については図面に同じ符号を付してその説明を適宜省略し、第1の実施の形態との相違点について説明する。そこで、第2の実施の形態に係る電流センサについて、図8を参照しながら説明する。図8は、第2の実施の形態に係る電流センサの主要部を示す図である。
図8に示すように、第2の実施の形態では、ホール素子12を1つとして、ギャップ20aに配置している。もちろん、ギャップ20bに配置してもよい。そして、ホール素子12は、第1の実施の形態と同様に、コア片11に密着させて固定している。なお、ホール素子12は、ホール素子12a,12bと同じものである。このようにホール素子12が1つの場合であっても、第1の実施の形態と同様の効果が得られるため、従来の電流センサ(ホール素子が1つのもの)に比べ、検出精度を向上させつつ、小型化、軽量化、及び低コスト化を図ることができる。また、第1の実施の形態に比べて検出精度は若干低下するが、更なる低コスト化を図ることができる。
[第3の実施の形態]
最後に、第3の実施の形態について説明する。第3の実施の形態は、第2の実施の形態と基本的な構成はほぼ同じであるが、ホール素子をコア片に密着させていない点が異なっている。そのため、以下では、第2の実施の形態と同じ構成については図面に同じ符号を付してその説明を適宜省略し、第2の実施の形態との相違点について説明する。そこで、第3の実施の形態に係る電流センサについて、図9を参照しながら説明する。図9は、第3の実施の形態に係る電流センサの主要部を示す図である。
図9に示すように、第3の実施の形態では、ホール素子12を1つとして、ギャップ20aに配置している。もちろん、ギャップ20bに配置してもよい。そして、ホール素子12は、第1の実施の形態とは異なり、コア片11に密着させずにギャップ20aに配置している。この場合には、ホール素子12を、コア端面30aとコア片11との中間(中央)位置よりもコア片11側に配置することが好ましい。磁束密度が均一な領域は、ギャップ20aにおいてコア片11側に形成されるため、このような配置により、磁束密度が均一な領域内にホール素子12を位置させることができる。これにより、ホール素子12をコア片11に密着させない場合でも、電流センサの検出精度を確実に向上させることができる。
また、第3の実施の形態でも第2の実施の形態と同様に、第1の実施の形態に比べて検出精度は若干低下するが、更なる低コスト化を図ることができる。
なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。例えば、上記した第1の実施の形態では、ホール素子12a,12bをコア片11に密着させているが、第3の実施の形態のように、ホール素子12a,12bの少なくとも一方をコア片11に密着させずにギャップ20a20bに配置することもできる。
1 電流センサ
10 コア
11 コア片
12,12a,12b ホール素子
20,20a,20b ギャップ
30a,30b コア端面
TH コアの厚さ(コア端面のZ方向の大きさ)
th コア片の厚さ(Z方向の大きさ)
W コアの幅(コア端面のY方向の大きさ)
w コア片の幅(Y方向の大きさ)

Claims (6)

  1. ギャップを備え環状に形成され、その環状内側に挿入される検出対象物に流れる電流により発生する磁束の磁路となるコアと、前記ギャップ内に設けられ、前記ギャップ内の磁界の強さに応じた電気信号を発生する磁気センサとを有する電流センサにおいて、
    前記ギャップにて対向するコア端面間に、前記各コア端面に対向するように配置される1つのコア片を備え、
    前記コア片の厚さ及び幅が、前記コア端面の厚さ及び幅より小さくなく、かつ前記コア端面に対向する前記コア片の断面積が、前記コア端面の断面積よりも大きく、
    前記コア片は、前記コアの両端面から前記コア片の両側にギャップを介して配置され、少なくとも一方のギャップに前記磁気センサが配置されており、
    前記磁気センサの断面積は、前記コア端面の断面積よりも小さい
    ことを特徴とする電流センサ。
  2. 請求項1に記載する電流センサにおいて、
    前記コア片の厚さと前記コア端面の厚さとの比、あるいは前記コア片の幅と前記コア端面の幅との比の少なくとも一方が、1.15以上である
    ことを特徴とする電流センサ。
  3. 請求項1又は請求項2に記載する電流センサにおいて、
    前記コア片の厚さと前記コア端面の厚さとの比、及び前記コア片の幅と前記コア端面の幅との比が、1.3以下である
    ことを特徴とする電流センサ。
  4. 請求項1から請求項3に記載するいずれか1つの電流センサにおいて、
    前記コア片は、前記コア端面間の中間位置に配置され、
    前記磁気センサは、前記コア端面の一方と前記コア片との間、及び前記コア端面の他方と前記コア片との間にて、前記コア片を基準に対称となる位置にそれぞれ配置されている
    ことを特徴とする電流センサ。
  5. 請求項1から請求項4に記載するいずれか1つの電流センサにおいて、
    前記磁気センサは、前記コア端面と前記コア片との中間位置よりも前記コア片側に配置されている
    ことを特徴とする電流センサ。
  6. 請求項1から請求項5に記載するいずれか1つの電流センサにおいて、
    前記磁気センサは、前記コア片に密着して固定されている
    ことを特徴とする電流センサ。
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