JP7192482B2 - 電流センサ - Google Patents

Description

本発明は、導体を流れる電流の電流値を検出する電流センサに関する。

従来、電気機器が広く利用されている。このような電気機器を適切に制御する上で、電気機器に流れる電流の電流値を測定することは重要である。例えば電気機器の導体を流れる電流の電流値を直接、電流計で測定する場合には、電流計を導体に対して直列に接続する必要があるが、構造上、直列に接続できない場合がある。係る場合、導体の周囲に生じる磁束の磁束密度を検出し、この磁束密度に基づき電流値を算定する手法が利用される。この種の技術として、下記に出典を示す特許文献１及び２に記載のものがある。

特許文献１には、複数本のバスバーに流れる電流を検出する電流検出装置が記載されている。この電流検出装置は、互いに隣り合う２つのバスバーを流れる電流によって生じる磁場ベクトルを検出し、当該磁場ベクトルに基づき互いに隣り合う２つのバスバーを流れる交流電流の値を検知する磁気センサを備え、この磁気センサは、磁場ベクトルの向きにより示される回転磁場を検出する回転磁場検出素子と、磁場ベクトルの長さにより示される磁場強度を検出する磁場強度検出素子とを有する。磁気センサは隣り合う２つのバスバー間を結ぶ線分の垂直２等分線上の位置であって、２つのバスバー間を結ぶ線分に対して４５度をなす位置に設置される。

特許文献２には、３相交流用電流計が記載されている。この３相交流用電流計は、３相交流が流れる互いに平行かつ相互間の距離が等しい３本の導通路と、当該３本の導通路に垂直な仮想面内において３本の導通路の各々から等しい距離にある特定点で直交２方向に配置された２つのＭＩセンサとを備えて構成され、この２つのＭＩセンサからの出力に基づき３相交流の電流値を算定している。

特開２０１１－０７５５３６号公報 特開２００３－３１５３７７号公報

特許文献１に記載される技術は、精度良く電流値を検出するにあたり、高感度の磁気検出素子が必要となる。また、外乱磁界の影響を受け易く、外乱磁界の影響を低減するシールドを設ける等の対策を要し、コストアップ及びサイズアップの要因となる。特許文献２に記載の技術は、例えば３本の導通路から生じる磁束の磁束密度が小さいため、高性能なＭＩセンサを２つも必要とし、コストアップの要因となる。更には、ＭＩセンサは使用環境が制限され、使用用途が限定される。

そこで、安価な構成で、導体に流れる電流の電流値を精度良く検出することが可能な電流センサが求められる。

本発明に係る電流センサの特徴構成は、検出面に進入する磁束の磁束密度を検出する磁気検出素子と、前記磁気検出素子を囲むように互いに均等配置されると共に、前記検出面と平行な面方向に沿って延出し、測定対象の電流の通電に応じて前記磁束を発生させる３本の導体と、前記３本の導体の延出方向視において、互いに隣接する２つの導体の端部の夫々の間側から、前記磁気検出素子に近づくにつれて次第に広くなる開口部分を有するように前記磁気検出素子側に向けて延出し、前記磁気検出素子を囲むように配置される３つのヨーク部材と、を備えている点にある。

このような特徴構成とすれば、導体の夫々の周囲に生じる磁束をヨーク部材で集磁し、集磁した磁束を磁気検出素子に集約させることができるので、磁気検出素子で当該磁束に係る磁束密度を検出し易くできる。したがって、この磁束密度に基づき、３本の導体を流れる電流の夫々の電流値を精度良く演算することが可能となる。また、安価な１つの磁束検出素子を利用して磁束密度を検出することができるので、低コスト、且つ、小型化に優れた電流センサを実現できる。

また、前記３つのヨーク部材の夫々は、互いに前記開口部分を形成する第１ヨーク部分と第２ヨーク部分とを有し、前記第１ヨーク部分と前記第２ヨーク部分とは前記互いに隣接する２つの導体の端部の間側において互いに接続されていると好適である。

このような構成とすれば、ヨーク部材を２つの導体の間に精度良く位置決めして設置することができる。したがって、精度良く磁束密度を検出し、電流値を演算することが可能となる。

また、前記３つのヨーク部材の夫々は、前記延出方向視がＶ字状であると好適である。

このような構成とすれば、夫々の導体に対するヨーク部材の位置決め精度を高めることができる。したがって、ヨーク部材による位置ずれに起因した検出誤差を低減することができるので、精度良く磁束密度を検出でき、電流値を演算することが可能となる。

また、前記３本の導体と前記３つのヨーク部材とは、前記延出方向視において前記磁気検出素子を中心に互いに対称配置されていると好適である。

このような構成とすれば、互いに隣接する導体とヨーク部材との間隔を互いに等しくできるので、電流値の演算に導体とヨーク部材との間隔を考慮する必要がない。したがって、電流値の演算処理に係る負荷を低減できる。

また、前記３本の導体は夫々、平板状に構成されていると好適である。

このような構成とすれば、導体とヨーク部材との間隔を短くすることができるので、ヨーク部材が集磁する磁束の磁束密度を高めることができる。したがって、精度良く電流値を演算することが可能となる。

電流センサの要部の斜視図である。 電流センサの部分展開断面図である。 磁束の流れを模式的に示す図である。 ヨーク部材の効果について示す図である。 ヨーク部材の効果について示す図である。 その他の実施形態に係る電流センサの断面図である。

本発明に係る電流センサは、安価な構成で、３本の導体に流れる電流の夫々の電流値を精度良く検出できるように構成される。ここで、導体に電流が流れる場合には、当該電流の大きさに応じて導体を軸心として磁界が発生し、当該磁界により磁束が生じる。本電流センサは、このような磁束の密度（磁束密度）を検出し、検出された磁束密度に基づいて導体に流れる電流（電流値）を測定する。以下、本実施形態の電流センサ１について説明する。

図１は電流センサ１の要部の斜視図である。図２は電流センサ１の部分展開断面図である。図１及び図２に示されるように、電流センサ１は、磁気検出素子１０、導体２０、ヨーク部材３０を備えて構成される。なお、図１では図２に示される樹脂体６０は省略されている。

磁気検出素子１０は、検出面１１に進入する磁束の磁束密度を検出する。検出面１１とは、磁気検出素子１０に内包され、当該磁気検出素子１０の検出対象である磁束密度の基となる磁束を検出する面である。以下では理解を容易にするために、検出面１１に直交する方向をＸ方向とし、Ｘ方向に直交する方向をＹ方向及びＺ方向とする。したがって、本実施形態では、検出面１１は、図１及び図２に示されるようにＹＺ平面に平行な面として設けられる。磁気検出素子１０は、このような検出面１１を貫通する磁束に基づき磁束密度が検出可能となる。磁気検出素子１０は公知のベクトル検知型磁気素子を用いると好適である。より具体的には、集磁膜付きホール素子や、縦型構造ホール素子や、ベクトル検知ＭＲ素子を用いることが可能である。

導体２０は磁気検出素子１０の検出面１１と平行な面方向に沿って延出するように３本設けられる。検出面１１は上述したようにＹＺ平面に平行な面で構成される。したがって、「検出面１１と平行な面方向に沿って延出する」とは、Ｙ方向に沿って延出する、或いはＺ方向に沿って延出することを意味する。本実施形態では、３本の導体２０はＹ方向に沿って延出するように設けられる。

３本の導体２０は磁気検出素子１０を囲むように互いに均等配置される。すなわち、３本の導体２０は、図２に示されるような延出方向に直交する断面において、正三角形を呈するように配置され、その重心に磁気検出素子１０が位置するように配置される。

本実施形態では、３本の導体２０は夫々、平板状に構成される。したがって、３本の導体２０は、延出方向に直交する断面において、夫々、正三角形の辺を構成するように配置される。

３本の導体２０には、電流センサ１の測定対象の電流が通電される。これにより、導体２０の周囲には磁界が生じ、当該磁界により磁束が発生する。この磁束が上述した磁気検出素子１０の検出面１１に進入するように配置される。

ヨーク部材３０は、３本の導体２０の延出方向視において、磁気検出素子１０を囲むように３つ設けられる。３本の導体２０の延出方向とは、本実施形態ではＹ方向である。ここで、上述したように、磁気検出素子１０を囲むように３本の導体２０が設けられるが、ヨーク部材３０は、電流センサ１をＹ方向に沿って見て、３本の導体２０の夫々と互いに干渉しないように（重複しないように）位置に設けられる。

３つのヨーク部材３０は、３本の導体２０の延出方向視において、互いに隣接する２つの導体２０の端部の夫々の間側から、磁気検出素子１０に近づくにつれて次第に広くなる開口部分を有するように磁気検出素子１０側に向けて延出するように配置される。３本の導体２０の延出方向視とはＹ方向視であり、図３にはこのようなＹ方向視の電流センサ１が示される。互いに隣接する２つの導体２０の端部の夫々の間側とは、３つの導体２０のうちの２つの導体２０であって、これら２つの導体２０の夫々が有する端部のうち、互いに隣接し合う端部の間である。この端部の間は、３つの導体２０により形成される正三角形の頂点に相当する位置に限定されず、頂点から正三角形の重心の側に入り込んだ位置も含まれる。３つのヨーク部材３０の夫々は、このような位置から、磁気検出素子１０側に向けて延出するように配置される。また、３つのヨーク部材３０の夫々は、開口部分を有する形状であって、この開口部分が磁気検出素子１０に近づくにつれて次第に広くなるような形状で構成される。

図３に示すように、本実施形態では、３つのヨーク部材３０の夫々は第１ヨーク部分３１と第２ヨーク部分３２とを有する。この第１ヨーク部分３１と第２ヨーク部分３２とで互いに開口部分を形成する。また、本実施形態では、第１ヨーク部分３１と第２ヨーク部分３２とは、互いに隣接する２つの導体２０の端部の間側において互いに接続される。このような第１ヨーク部分３１と第２ヨーク部分３２とは、一体的に成形されると好適である。

特に、本実施形態では、３つのヨーク部材３０の夫々は、延出方向視がＶ字状で形成される。このＶ字状の頂部、すなわち３つのヨーク部材３０の夫々の磁気検出素子１０の側とは異なる端部が、導体２０により形成される正三角形の頂点と重心とを仮想的に結んだ線上に配置され、且つ、ヨーク部材３０の開口部分の中心が当該線上に配置されると好適である。これにより、ヨーク部材３０の夫々を、互いに隣接する２つの導体２０から等距離の位置に配置することが可能となる。換言すれば、３本の導体２０と３つのヨーク部材３０とは、延出方向視において磁気検出素子１０を中心に互いに対称配置される。

以上のように構成することで、導体２０に電流が流れることにより導体２０の周囲に生じる磁束を互いに隣接する一対のヨーク部材３０で集磁し、一対のヨーク部材３０の間において磁気検出素子１０の検出面１１に磁束を貫通させることが可能となる。

磁気検出素子１０の検出面１１に対する磁束の貫通について、貫通図３を用いて具体的に説明する。理解を容易にするために、３本の導体２０を導体２１、導体２２、導体２３とし、３つのヨーク部材３０をヨーク部材５１、ヨーク部材５２、ヨーク部材５３とする。例えば導体２１に紙面奥側から紙面手前側に向けて電流が流れ、導体２２及び導体２３に紙面手前側から紙面奥側に向けて電流が流れているとする。

係る場合、導体２１の周囲には反時計周りの磁束が生じ、導体２１からの磁束がヨーク部材５１の第２ヨーク部分３２に集磁される。第２ヨーク部分３２を通った磁束は、ヨーク部材５１から放出されるが、この時、磁気検出素子１０の検出面１１を貫通する。検出面１１を貫通した磁束は、ヨーク部材５３の第１ヨーク部分３１に集磁される。第１ヨーク部分３１を通った磁束は、ヨーク部材５３から放出され、導体２１に戻る。

また、導体２２の周囲には時計周りの磁束が生じ、導体２２からの磁束がヨーク部材５１の第１ヨーク部分３１に集磁される。第１ヨーク部分３１を通った磁束は、ヨーク部材５１から放出されるが、この時、磁気検出素子１０の検出面１１を貫通する。検出面１１を貫通した磁束は、ヨーク部材５２の第２ヨーク部分３２に集磁される。第２ヨーク部分３２を通った磁束は、ヨーク部材５２から放出され、導体２２に戻る。

同様に、導体２３の周囲には時計周りの磁束が生じ、導体２３からの磁束がヨーク部材５２の第１ヨーク部分３１に集磁される。第１ヨーク部分３１を通った磁束は、ヨーク部材５２から放出されるが、この時、磁気検出素子１０の検出面１１を貫通する。検出面１１を貫通した磁束は、ヨーク部材５３の第２ヨーク部分３２に集磁される。第２ヨーク部分３２を通った磁束は、ヨーク部材５３から放出され、導体２３に戻る。

以上のように構成し、磁気検出素子１０としてベクトル検知型磁気素子を用いることにより、３本の導体２０の夫々からの磁束に基づき適切に電流値を検出することが可能となる。

図４の（Ａ）には、図３のように３本の導体２０に通電した場合の磁束分布のシミュレーション結果が示される。また、比較のためにヨーク部材３０を備えない電流センサ１におけるシミュレーション結果が図４の（Ｂ）に示される。なお、図４の（Ａ）及び（Ｂ）では、磁束の分布を磁束密度の大小で示している。図４の（Ａ）及び（Ｂ）の例では、導体２１に４００〔Ａ〕の電流を通電し、導体２２及び導体２３に-２００〔Ａ〕の電流を通電している。係る場合、図４の（Ｂ）では３本の導体２０により形成される正三角形の重心部に磁束が分布する様子が示され、重心部における磁束密度は約３〔ｍＴ〕であった。一方、図４の（Ａ）では図４の（Ｂ）よりもヨーク部材３０により磁束が集磁され、磁気検出素子１０の検出面１１に磁束が進入している。具体的には、重心部における磁束密度は約６０〔ｍＴ〕であった。このようにヨーク部材３０を設けることで、適切に磁気検出素子１０により電流値を検出することが可能となる。

ここで、３本の導体２０は、常に３本の導体２０に電流が流れているとは限らず、３本の導体２０のうちの２本のみに電流が流れていることもある。図５には、導体２１に３００〔Ａ〕の電流を通電し、導体２２に-３００〔Ａ〕の電流を通電している。係る場合でも、図５に示されるように、ヨーク部材３０により磁束が集磁され、磁気検出素子１０の検出面１１に磁束が進入している。このように３本の導体２０のうちの２本のみに電流が流れている場合であっても、ヨーク部材３０を設けることで、適切に磁気検出素子１０により電流値を検出することが可能となる。

上述した電流センサ１は、図２に示されるように、３本の導体２０を柱状の樹脂体６０の軸方向に沿って貫通するように樹脂成形し、その際、磁気検出素子１０及び３つのヨーク部材３０を樹脂体６０に換装できるように、夫々の形状に合わせた孔部６１を形成しておくと良い。更に、導体２０にも、磁気検出素子１０が導体２０の厚さ方向に沿って挿通できるような孔部６２を設けておくと良い。なお、電流センサ１では３本の導体２０が用いられるが、全ての導体２０に孔部６２を設けても良いし、磁気検出素子１０が挿通される導体２０にのみ孔部６２を設けても良い。

以上のように本電流センサ１は、３つの導体２０から互いに等しい距離となる位置に磁気検出素子１０が配置されると共に、互いに隣接する２つの導体２０の端部から互いに等しい距離の位置にヨーク部材３０が配置されるので、磁気検出素子１０により３つの導体２０に流れる電流（３相電流）に起因する磁束の合成ベクトル検出が可能となる。したがって、１つの磁気検出素子１０が検出した３つの導体２０に流れる電流（３相電流）の合成磁束のベクトル角度とベクトルの大きさから各相の電流値を検出することが可能となる。

また、磁束の合成ベクトルのベクトル角度とベクトルの大きさについては、予めキャリブレーションを行っておくことで夫々の導体２０の周囲に生じる磁束の磁束密度を精度良く検出し、これに基づいて各相の電流値を検出することが可能となる。具体的には、例えばベクトルの角度について、所定の１つの導体２０を流れる電流の電流値がピークの時に、各相の角度値とベクトルの大きさが一致するようにキャリブレーションを行うと好適である。

〔その他の実施形態〕
上記実施形態では、３本の導体２０がＹ方向に沿って延出するように設けられるとして説明したが、図６に示されるように、３本の導体２０がＺ方向に沿って延出するように構成することも可能である。係る場合、上記実施形態では磁気検出素子１０は３本の導体２０の延出方向に直交する方向に沿って樹脂体６０に換装したが、図６の例では樹脂体６０に３本の導体２０の延出方向に沿って換装すると良い。

上記実施形態では、第１ヨーク部分３１と第２ヨーク部分３２とは互いに隣接する２つの導体２０の端部の間側において互いに接続されているとして説明したが、第１ヨーク部分３１と第２ヨーク部分３２とは互いに隣接する２つの導体２０の端部の間側においても互いに離間していても良い。

上記実施形態では、３つのヨーク部材３０の夫々は延出方向視がＶ字状であるとして説明したが、３つのヨーク部材３０の夫々は延出方向視がＶ字状以外の形状（例えばＵ字状）であっても良い。また、第１ヨーク部分３１と第２ヨーク部分３２とが互いに別部品であり、第１ヨーク部分３１と第２ヨーク部分３２とを近傍若しくは当接させてヨーク部材３０を構成しても良い。

上記実施形態では、３本の導体２０と３つのヨーク部材３０とは、延出方向視において磁気検出素子１０を中心に互いに対称配置されているとして説明したが、３本の導体２０と３つのヨーク部材３０とは、延出方向視において磁気検出素子１０を中心に互いに非対称に配置しても良い。

上記実施形態では、３本の導体２０は夫々、平板状に構成されているとして説明したが、３本の導体２０は夫々、円柱状であっても良いし、三角柱状であっても良い。更には、五角形以上の多角形の柱状であっても良い。

本発明は、導体を流れる電流の電流値を検出する電流センサに用いることが可能である。

１：電流センサ
１０：磁気検出素子
１１：検出面
２０：導体
３０：ヨーク部材
３１：第１ヨーク部分
３２：第２ヨーク部分

Claims (5)

1. 検出面に進入する磁束の磁束密度を検出する磁気検出素子と、
   前記磁気検出素子を囲むように互いに均等配置されると共に、前記検出面と平行な面方向に沿って延出し、測定対象の電流の通電に応じて前記磁束を発生させる３本の導体と、
   前記３本の導体の延出方向視において、互いに隣接する２つの導体の端部の夫々の間側から、前記磁気検出素子に近づくにつれて次第に広くなる開口部分を有するように前記磁気検出素子側に向けて延出し、前記磁気検出素子を囲むように配置される３つのヨーク部材と、
   を備える電流センサ。
2. 前記３つのヨーク部材の夫々は、互いに前記開口部分を形成する第１ヨーク部分と第２ヨーク部分とを有し、前記第１ヨーク部分と前記第２ヨーク部分とは前記互いに隣接する２つの導体の端部の間側において互いに接続されている請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記３つのヨーク部材の夫々は、前記延出方向視がＶ字状である請求項１又は２に記載の電流センサ。
4. 前記３本の導体と前記３つのヨーク部材とは、前記延出方向視において前記磁気検出素子を中心に互いに対称配置されている請求項１から３のいずれか一項に記載の電流センサ。
5. 前記３本の導体は夫々、平板状に構成されている請求項１から４のいずれか一項に記載の電流センサ。

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