JPH06132149A - 直流電流センサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ホール素子方式が有する比較的構造が簡単で
あるという長所を活かし、直流の漏電ブレーカー等、特
に微小な電流の変化に対しても、優れた検出能力を有す
る高感度の直流電流センサーの提供。 【構成】 軟質磁性材料からなる検出コア１１は螺旋状
に巻回した電流検出部１５を有する環状コアからなり、
ギャップ部１２を形成して所定の磁電変換特性を有する
ホール素子１３を配置してある。 【効果】 螺旋状に巻回した電流検出部１５内に被検出
導線１４自体は直線貫通するが、検出コア１１内には直
流電流Ｉと電流検出部１５の巻数Ｎとの積によって決定
され起磁力ＮＩに対応する磁束Ｂが発生し、ギャップ部
１２に磁界Ｈが形成されるので、被検出導線１４に流れ
る直流電流Ｉとホール出力電圧Ｖ_Hとの関係を求めてお
くことにより、目的とする被検出導線１４内を流れる微
小電流の検出が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、直流の漏電ブレーカ
ー等の直流電流センサーに係り、特に、ホール素子（磁
電変換素子）を配置した構造が比較的簡単であり、特に
微小な電流の変化に対しても、優れた検出能力を有する
高感度の直流電流センサーに関する。

【０００２】

【従来の技術】最近は、インバーターを内蔵した電気機
器や電気自動車等、直流を使用した機器が増加している
が、これらの各種機器に組込まれている直流モータの負
荷を検知し、所要の制御を行うためのセンサーや、直流
漏電ブレーカー等に使用される直流電流センサーの必要
性が高まってきた。

【０００３】交流の漏電ブレーカー等に用いられる電流
センサーとしては、カレントトランスを応用したものが
広く知られている。しかし、先に説明した直流を使用し
た機器に用いる漏電ブレーカー等にはこの構成を採用す
ることができず、従来から種々の構成からなる直流電流
センサーが提案されている。図３に示す直流電流センサ
ーは、ホール素子（磁電変換素子）を配置したもので、
構造が比較的簡単であり、一部の用途において実用化さ
れている。

【０００４】すなわち、図３に示すホール素子方式の直
流電流センサーは、一部にホール素子３を配置するギャ
ップ部２（ギャップ寸法：Ｌｇ）を形成してなる軟質磁
性材料、通常、パーマロイやＭｎ−Ｚｎ系フェライトか
らなる検出コア１に直接被検出導線４をトロイダル状に
巻回し、該被検出導線４に流れる直流電流Ｉの変化に基
づく検出コア１内の磁束変化を直接ホール素子３にて検
知する構成からなっている。

【０００５】ここで被検出導線４に直流電流Ｉが流れる
と、検出コア１内に起磁力ＮＩに応じた磁束Ｂが発生
し、この磁束に基づきギャップ部２に磁界Ｈが形成され
る。したがって、磁束Ｂに基づく磁界Ｈの強度をギャッ
プ部２に配置され予め駆動電圧Ｖｉｎが印加されている
ホール素子３にて検知するとともに、磁電変換し、ホー
ル出力電圧Ｖ_Hを誘起させる構成からなっている。この
とき、磁界Ｈ（磁束Ｂ）は起磁力ＮＩに比例しており
（Ｈ∝ＮＩ／Ｌｇ）、またホール出力電圧Ｖ_Hは、磁界
Ｈ（磁束Ｂ）に比例するので、ホール出力電圧Ｖ_H■起
磁力ＮＩに比例することとなり、予め被検出導線４の巻
数を設定しておくことで、ホール出力電圧Ｖ_Hによって
被検出導線４内を流れる直流電流Ｉを検出できるのであ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のホール
素子方式からなる直流電流センサーは、以下の理由によ
り直流漏電ブレーカー等の微小な電流の変化に対応でき
る構成とは言い難く、ホール素子方式が有する本来の長
所を阻害することなく、検出感度を向上させる構成の改
良が強く望まれていた。

【０００７】すなわち、上記のホール素子方式において
は、検出能力はホール素子の特性に依存することから、
例えば、渦電流センサーや漏電ブレーカー等を既設の電
気回路に挿入して直流電流を計測するには、被検出導線
４を検出コア１に１ターン貫通させるだけで電流を検知
させることを要求される。従って、巻回数１、すなわち
Ｎ＝１の場合には、起磁力ＮＩ自体が小さくコア１内に
発生する磁束Ｂも微弱となり、必然的にギャップ部２に
形成される磁界Ｈの強度も弱く、従来から使用されてい
るホール素子３では、得られるホール出力電圧Ｖ_Hにも
限度があった。磁界Ｈの強度を高めるためにギャップ部
２の寸法（Ｌｇ）を極力小さくしたとしても、ホール素
子の形状寸法によってその寸法調整にも限度があり、た
かだか２〜３割程度の向上しか望めなかった。

【０００８】この発明は、ホール素子を用いた直流電流
センサーにおける上記の問題点を解消し、ホール素子方
式が有する比較的構造が簡単であるという長所を活か
し、直流の漏電ブレーカー等、特に微小な電流の変化に
対しても、優れた検出能力を有する高感度の直流電流セ
ンサーの提供を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】発明者らは、上記の目的
を達成するために従来構成のホール素子方式の直流電流
センサーにおいて、検出コアの構成を種々検討した結
果、検出コアの一部に螺旋状に巻回した電流検出部を形
成した環状の検出コアとなし、電流検出部の内側に被検
出導線を貫通配置することによって被検出導線内を流れ
る直流電流を高感度にて検出可能であることを知見し、
この発明を完成した。

【００１０】すなわち、この発明は、軟質磁性材料から
なり螺旋状に巻回した電流検出部を有する環状の検出コ
アの一部にギャップ部を形成し、前記電流検出部の内側
に非接触検出する直流電流が流れる被検出導線を貫通配
置し、かつ前記ギャップ部にホール素子を配置したこと
を特徴とする直流電流センサーである。

【００１１】

【作用】この発明による直流電流センサーの作用を図面
に基づいて詳述する。図１はこの発明の直流電流センサ
ーの一実施例の概要を示す説明図である。検出コア１１
は軟質磁性材料からなり、螺旋状に巻回した電流検出部
１５を有する環状コアからなる。また、検出コア１１の
電流検出部１５以外の一部にギャップ部１２を形成し、
該ギャップ部１２には所定の磁電変換特性を有するホー
ル素子１３を配置している。

【００１２】図１の構成において、被検出導線１４に直
流電流Ｉが流れると、該被検出導線１４自体は直線貫通
であるが、検出コア１１の電流検出部１５が螺旋状に形
成されていることから、最終的に検出コア１１内には直
流電流Ｉと電流検出部１５の巻数Ｎとの積によって決定
され起磁力ＮＩに対応する磁束Ｂが発生することとな
る。したがって、ギャップ部１２には上記磁束Ｂに基づ
く比較的強い強度を有する磁界Ｈが形成されることとな
る。

【００１３】該ギャップ部１２に配置され予め駆動電圧
Ｖｉｎが印加されているホール素子１３によって、前記
の磁界を検知し、磁電変換をすることによってホール出
力電圧Ｖ_Hを誘起させることとなる。このとき、磁界Ｈ
（磁束Ｂ）は起磁力ＮＩに比例しており、またホール出
力電圧Ｖ_Hは磁界Ｈ（磁束Ｂ）に比例するので、ホール
出力電圧Ｖ_Hは起磁力ＮＩに比例することとなり、予め
検出コア１１の電流検出部１５の巻数を設定しておくこ
とで、ホール出力電圧Ｖ_Hによって被検出導線１４内を
流れる直流電流Ｉを検出できるのである。

【００１４】以上に示すように、この発明の直流電流セ
ンサーは、被検出導線１４自体は巻き付けることのない
直線貫通であっても、検出コア１１に形成される螺旋状
電流検出部１５の巻数に比例して、最終的にギャップ部
１２に形成される磁界Ｈの強度を増加する構成を採用し
ていることから、必然的に直流電流センサーとしての検
出感度を向上させることができ、被検出導線１４内を流
れる微小電流の検出を可能にする。

【００１５】実用に際しては、螺旋状に巻回される電流
検出部１５において互いに隣接するコア部分での磁束漏
洩や、ギャップ部１２における磁束漏洩等によって、必
ずしもホール出力電圧Ｖ_Hが電流検出部１５の巻数に比
例するとは限らないが、予め、螺旋状電流検出部１５の
巻数を所定数として直流電流センサーを構成した後、被
検出導線１４に流れる直流電流Ｉとホール出力電圧Ｖ_H
との関係を求めておけば、目的とする被検出導線１４内
を流れる微小電流の検出が可能である。

【００１６】この発明の直流電流センサーにおいて、検
出コア１１を構成する軟質磁性材料は、被検出導線に流
れる電流の大きさに、すなわちセンサーに要求される検
出感度に応じてその材質を選定することが好ましく、ま
た、電流検出部１５を螺旋状に加工する必要性があるこ
とから、磁気特性とともに加工性等を考慮すると円柱線
材、角柱線材等のパーマロイが好ましいが、その他電磁
軟鉄、ケイ素鋼等を用いても良い。また、Ｍｎ−Ｚｎフ
ェライトなどを分割、組合せにより螺旋状のコアに形成
することもできる。特に、電流検出部１５は螺旋状に加
工するが、先に説明したように、互いに隣接するコア部
分の距離Ｐがあまり小さいと、該隣接部における磁束漏
洩が多く、螺旋状に加工する本来の効果を損ねることか
ら、センサーに要求される検出感度とともに該直流電流
センサーの配置スペースに応じた線径、巻数を選定する
ことが望ましい。

【００１７】また、この発明において、環状の軟質磁性
材料とは、軟質磁性材料が所謂リング状になっているこ
とに限定されるものでなく、軟質磁性材料が少なくとも
一部に螺旋状電流検出部を形成するとともに、ホール素
子を配置するギャップ部を形成して電気的な閉回路を構
成できるように接続されていれば良く、図示の如く矩形
枠状の他、円環状、楕円環状等種々の構成が採用できる
さらに、この発明において、検出コアの螺旋状電流検出
部内を貫通する被検出導線も１本に限定されるものでな
く、要求されるセンサーの大きさに応じて複数本貫通さ
せても良いが、被検出導線を１本にすることによってこ
の発明の効果が最も効果的を発現することができる。

【００１８】

【実施例】直径３ｍｍのパーマロイＣ（７８％Ｎｉ−５
％Ｍｏ−４％Ｃｕ−ｂａｌＦｅ）線を用いて図２に示す
ようなこの発明の直流電流センサーを構成する検出コア
を作成したすなわち、図２に示すように、ギャップ部寸
法（Ｌｇ）を１，５ｍｍにするとともに、内径Ｄを５ｍ
ｍとし、互いの隣接部の距離Ｐを２ｍｍとした、それぞ
れ巻数３Ｔ、５Ｔ、７Ｔからなる螺旋状電流検出部を有
するように巻線加工した後、水素雰囲気中で１１００°
Ｃ×３時間の熱処理を施し、さらに６００°Ｃ〜４００
°Ｃの間を１００°Ｃ／時間で冷却して、この発明の直
流電流センサーを構成する検出コアを得た。

【００１９】上記ギャップ部内に駆動電圧Ｖｉｎ １Ｖ
印加時、５００Ｇの磁束が素子を貫通した際にホール素
子電圧が２５０ｍＶ起動される特性を有するホール素子
を配置し、さらにコアの螺旋状電流検出部内側に被検出
導線を１本貫通配置し、該被検出導線に５Ａの直流電流
を流した時のホール出力電圧Ｖ_Hを測定した。その測定
結果を表１に示す。なお、表１中に記載する比較例は検
出コアとして従来のリング状Ｍｎ−Ｚｎ系ソフトフェラ
イト（内径８．０ｍｍ、ギャップ部寸法３．０ｍｍ）を
有する図３の構成からなる直流電流センサーに被検出導
線を１本貫通配置し、該被検出導線に５Ａの直流電流を
流した時のホール出力電圧Ｖ_Hを測定した結果である。
ホール素子の特性はともに同一のものを用いた。

【００２０】

【表１】

【００２１】表１より、この発明の直流電流センサーで
は電流検出部の巻数に応じて従来の直流電流センサーに
比べ数倍〜１０倍の極めて高い出力電圧Ｖ_Hを得ること
が可能であることが確認できた。

【００２２】

【発明の効果】従来のホール素子による磁電変換素子は
１ターン貫通型では大電力用に用途が限定されていた
が、この発明の直流電流センサーは、微小な電流の変化
に対しても、優れた検出能力を有することから、螺旋状
電流検出部の内側に被検出導線を１本貫通配置させるだ
けでも要求される高感度の検出が達成でき、構造が比較
的簡単で直流電流センサーの小型化を可能にし、ＯＡ機
器などのモーター負荷検知など、電流制御用回路に応用
した場合、ホール素子による磁電変換素子の使用範囲を
大きく拡大することができる。特に、この発明の直流電
流センサーは、すでに配線が完了している導線（被検出
導線）を切断することなく、最終的にホール素子を配置
するギャップ部を利用して螺旋状電流検出部の内側に配
置することができることから、非常に取付配置が簡便で
あり、汎用性の高い直流電流センサーの提供を可能とす
るものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の直流電流センサーの一実施例の概要
を示す説明図である。

【図２】図１の直流電流センサーを構成する検出コアの
形状を示す説明図である。

【図３】従来の直流電流センサーを示す斜視説明図であ
る。

【符号の説明】

１ 検出コア ２ ギャップ部 ３ ホール素子 ４ 被検出導線 １１ 検出コア １２ ギャップ部 １３ ホール素子 １４ 被検出導線 １５ 電流検出部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 軟質磁性材料からなり螺旋状に巻回した
   電流検出部を有する環状の検出コアの一部にギャップ部
   を形成し、前記電流検出部の内側に非接触検出する直流
   電流が流れる被検出導線を貫通配置し、かつ前記ギャッ
   プ部にホール素子を配置したことを特徴とする直流電流
   センサー。