JP2006184269A - 電流センサ - Google Patents

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Toshiki Sugiyama
敏樹 杉山
Takashi Sato
孝 佐藤
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Abstract

【課題】外部磁界を受けた場合でも導体に流れる電流値を高精度に求めることのできる電流センサを提供する。
【解決手段】バスバー2を、それぞれに流れる電流が略同一となる第1の導体部21と第2の導体部22に分離し、第1の導体部21の近傍にホール素子3aを設け、更に第2の導体部22の近傍にホール素子3bを設け、且つホール素子3aが第1の導体部21に生じる磁界を検出する向きと、ホール素子3bが第2の導体部22に生じる磁界を検出する向きが互いに逆向きとなるように各ホール素子3a,3bを配置する。更に、ホール素子3aにより検出される磁界とホール素子3bにより検出される磁界を減算して得られる磁界に基づいて、バスバー2に流れる電流を求める演算回路4を設ける構成とした。
【選択図】 図1

Description

本発明は、導体に流れる電流を高精度に検出する電流センサに関する。
従来における電流センサとして、例えば特開2001−221815号公報(特許文献1)に記載されたものが知られている。図8は特許文献1に記載された電流センサの構成を示す説明図である。同図に示すように、この電流センサは、被測定電流を流す電流通路形成用の導体101と、導体101に電流が流れた際に、この導体101の近傍に生じる磁界を検出するためのホールIC102とを備えており、これらは樹脂成形体103を用いて一体化されている。
また、導体101はU字形状をなしており、該導体101の互いに向き合う導体間では、集磁効果をもたらしている。そして、ホールIC102は、導体101に流れる電流によって生じる磁界が該ホールIC102で効率良く検出できる位置に配置されている。
そして、導体101の周囲にはこの導体101に流れる電流値に比例した磁界が発生するので、ホールIC102はホール素子104で検出される磁界に比例した大きさの電圧信号を出力する。これにより被測定電流に比例した電圧信号を得ることができ、結果として導体101に流れる電流値を求めることができる。
特開2001−221815号公報
しかしながら、上述した特許文献1に開示された従来技術は、ホール素子104の感磁方向に対して、外部磁界を受けた場合に、この外部磁界がバイアスとなり、出力電圧に誤差が生じてしまうという問題が発生する。
本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、外部磁界を受けた場合でも導体に流れる電流値を高精度に求めることのできる電流センサを提供することにある。
上記目的を達成するため、本願請求項1に記載の発明は、導体に流れる電流により生じる磁界を検出し、検出された磁界に基づいて前記導体に流れる電流を検出する電流センサにおいて、前記導体を2つの導体部に分離して前記導体に流れる電流を分流させ、前記2つの導体部近傍にそれぞれ磁気検出手段を設け、且つ、前記各磁気検出手段は、各導体部の周囲に発生する磁界を互いに逆向きとなる方向で検出し、前記各磁気検出手段にて検出された磁界に基づいて、前記導体に流れる電流を求めることを特徴とする。
請求項2に記載の発明は、導体に流れる電流により生じる磁界を検出し、検出された磁界に基づいて前記導体に流れる電流を検出する電流センサにおいて、前記導体を、それぞれに流れる電流が略同一となる第1の導体部と第2の導体部に分離し、前記第1の導体部の近傍に第1の磁気検出手段を設け、更に前記第2の導体の近傍に第2の磁気検出手段を設け、且つ前記第1の磁気検出手段が前記第1の導体部に生じる磁界を検出する向きと、前記第2の磁気検出手段が前記第2の導体部に生じる磁界を検出する向きが互いに逆向きとなるように前記各磁気検出手段を配置し、更に、前記第1の磁気検出手段により検出される磁界と前記第2の磁気検出手段により検出される磁界を減算して得られる磁界に基づいて前記導体に流れる電流を求める演算手段を備えることを特徴とする。
請求項3に記載の発明は、前記第1の磁気検出手段及び前記第2の磁気検出手段は、前記第1の導体部と前記第2の導体部の中心線に対して対称となる位置に配置されることを特徴とする。
請求項4に記載の発明は、前記導体の中央部に開口部を形成することにより、前記導体を前記第1の導体部、第2の導体部に分離し、前記第1の磁気検出手段、及び第2の磁気検出手段は、前記開口部内に設けられることを特徴とする。
請求項5に記載の発明は、前記第1の磁気検出手段及び第2の磁気検出手段は、ホール素子であることを特徴とする。
請求項6に記載の発明は、前記第1の磁気検出手段及び第2の磁気検出手段は、磁気インピーダンス(MI)センサであることを特徴とする。
請求項1,2の発明では、導体に流れる電流を2つの導体部に分流し、各導体部近傍に設けられた磁気検出手段で各導体部に流れる電流に起因して生じる磁界を検出する。この際、各磁気検出手段は、導体部周囲に生じる磁界を互いに逆方向となる向きで検出するので、2つの磁気検出手段で検出された磁界を減算すれば、結果として2つの磁界を加算したことになり、この結果を用いて導体に流れる電流を求めることができる。また、導体の外部から各磁気検出手段に印加される外部磁界は、2つの磁気検出手段で検出された磁界を減算することにより相殺されるので、外部磁界の影響を回避することができる。
請求項3の発明では、第1の磁気検出手段と第2の磁気検出手段が第1の導体部と第2の導体部の中心線に対して対称となる位置に配置されるので、各磁気検出手段に印加される磁界を略同一とすることができ、各磁気検出手段では、等大逆向きで発生する2つの磁界を高精度に検出することができる。
請求項4の発明では、導体の中央部に開口部を形成し、この開口部内に第1の磁気検出手段、及び第2の磁気検出手段を設けるので、磁気検出手段の取り付けスペースを容易に確保することができ、各構成部品のレイアウトを容易にすることができる。
請求項5の発明では、第1,第2の磁気検出手段としてホール素子を用いるので、第1の導体及び第2の導体に流れる電流に起因して生じる磁界を高精度に検出することができ、電流の検出精度を向上させることができる。
請求項6の発明では、第1,第2の磁気検出手段として磁気インピーダンス(MI)センサを用いるので、第1の導体及び第2の導体に流れる電流に起因して生じる磁界を高精度に検出することができ、電流の検出精度を向上させることができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図1は、本発明の第1の実施形態に係る電流センサの構成を示す斜視図、図2は、図1におけるA−A断面図を示している。図1に示すように、この電流センサ1は、断面矩形状をなし中央部に矩形状の開口部2aが形成されたバスバー(導体)2と、バスバー2の開口部2aの一方の側面近傍に設けられた第1のホール素子(第1の磁気検出手段)3aと、他方の側面近傍に設けられた第2のホール素子(第2の磁気検出手段)3bと、開口部2aの上部適所に設けられた演算回路(演算手段)4を備えている。なお、第1のホール素子3aと第2のホール素子3bは磁界の検出特性が同一となるものを使用している。
更に、第1,第2のホール素子3a,3b、及び演算回路4を含む開口部2aの周辺部は樹脂等の絶縁材料で構成された絶縁性包囲体5により全体が覆設されて一体化されている。
開口部2aは、図2に示すようにバスバー2の幅方向の略中央部に形成されており、従って開口部2aの図中左側となる導体部(第1の導体部)21と図中右側となる導体部(第2の導体部)22の断面は同一形状となり、各導体部21,22に流れる電流は略同一となる。つまり、各導体部21,22には、バスバー2全体に流れる電流の1/2となる電流がそれぞれ流れる(分流する)ことになる。
また、上述したように第1のホール素子3aは、開口部2a内の導体部21近傍に配置され、第2のホール素子3bは、開口部2a内の導体部22近傍に配置され、この際、第1のホール素子3a及び第2のホール素子3bは、導体部21と導体部22の中心線に対して対称となる位置に配置される。つまり、導体部21から第1のホール素子3aまでの距離と、導体部22から第2のホール素子3bまでの距離が略同一となる。
各ホール素子3a,3bは、該ホール素子3a,3bに印加される磁界に比例した大きさとなる電圧信号を生成し、この電圧信号を演算回路4に出力する。
演算回路4は、各ホール素子3a,3bより出力される電圧信号に基づいて、バスバー2に流れる電流値を求め、求めた電流値を後段の回路(図示せず)に出力する。
次に、上記のように構成された本実施形態に係る電流センサ1の作用について説明する。図3は、バスバー2の開口部2a周辺に発生する磁界を示す説明図である。同図に示すように、導体部21に電流が流れることにより、電流方向に対する右ねじの方向に第1の磁界が発生し、同様に導体部22に電流が流れることにより、電流方向に対する右ねじの方向に第2の磁界が発生する。この際、上述したように、各導体部21,22に流れる電流は同一となるので、これらの電流により生じる第1の磁界、第2の磁界は大きさが等しくなる。ここで、この磁界をBIとする。
更に、バスバー2に流れる電流に起因して生じる磁界以外の外部磁界として、例えば、バスバー2の開口部2aの法線方向に向く外部磁界Bαが発生し、この外部磁界Bαが各ホール素子3a,3bに印加された場合を想定する。
以下、外部磁界Bαが存在する場合に演算回路4で求められる電流値と、外部磁界Bαが存在しない場合に演算回路4で求められる電流値とを対比して説明する。
<外部磁界Bαが存在しない場合>
外部磁界Bαが存在しない場合には、第1のホール素子3aに印加される磁界はBIとなり、第1のホール素子3aは、磁界BIに比例した大きさとなる電圧V1を出力する。即ち、kを比例定数として(1)式で示される。
V1=k*BI ・・・(1)
また、第2のホール素子3bに印加される磁界は、第1のホール素子3aの場合と向きが逆向きとなるので−BIとなり、第2のホール素子3bは、磁界−BIに比例した大きさとなる電圧V2を出力する。即ち、(2)式で示される。
V2=k*(−BI) ・・・(2)
そして、演算回路4で各ホール素子3a,3bより出力された各電圧信号V1,V2を差動増幅(減算)すると、V1−V2の値は(3)式で示される。
V1−V2=k*{BI−(−BI)}=k*2BI ・・・(3)
そして、演算回路4では、(3)式で求められたV1−V2の値に基づいて、バスバー2に流れる電流値を求めることができる。
<外部磁界Bαが存在する場合>
外部磁界Bαが存在する場合には、第1のホール素子3aに印加される磁界は(BI+Bα)となり、第1のホール素子3aは、磁界(BI+Bα)に比例した大きさとなる電圧V1を出力する。即ち、kを比例定数として(4)式で示される。
V1=k*(BI+Bα) ・・・(4)
また、第2のホール素子3bには、第1のホール素子3aの場合と向きが相違する磁界−BIが印加され、更に、外部磁界Bαは第1のホール素子3aの場合と向きが同一となるので、電圧V2は(5)式で示される。
V2=k*(−BI+Bα) ・・・(5)
そして、演算回路4で各ホール素子3a,3bより出力された各電圧信号V1,V2を差動増幅すると、V1−V2の値は(6)式で示される。
V1−V2=k*{(BI+Bα)−(−BI+Bα)}
=k*2BI ・・・(6)
(3)式と(6)式を比較すると、V1−V2を演算することにより外部磁界Bαが相殺され、外部磁界の影響を受けずにバスバー2に流れる電流により発生する磁界のみを検出できることが理解される。こうして、ホール素子3a,3bの近傍に外部磁界が存在する場合であっても、この外部磁界を相殺することにより、高精度にバスバー2に流れる電流値を求めることができる。
図4は、開口部2a内に生じる磁界の分布を示す説明図である。同図(a)に示すように、バスバー2の符号Pに示す方向に電流を流し、且つ、バスバー2の長手方向をY軸、幅方向をX軸として開口部2a内の座標を設定して開口部2a内の磁界を測定したところ、同図(b)に示す如くの結果が得られた。
図4(b)から明らかなように、開口部2aの中心線βを境界として極性が相違し大きさが略同一となる磁界分布が得られた。これにより、上記の(1)式に示したk*BIと、(2)式に示したk*(−BI)は同一の値となることを確認することができた。
このようにして、第1の実施形態に係る電流センサ1では、バスバー2の中央部に開口部2aを形成し、この開口部2a内に特性が同一となる2つのホール素子3a,3bを配置し、各ホール素子3a,3bより出力される電圧信号V1,V2の差分を演算することにより、外部磁界Bαを相殺し、バスバー2に流れる電流に起因した磁界のみについての電圧信号を得ることができる。従って、外部磁界Bαが存在する場合であっても、この影響を受けることなく、バスバー2に流れる電流により発生する磁界のみを高精度に検出することができ、電流検出精度を著しく向上させることができる。
また、第1の実施形態の変形例として、図5に示すように、バスバー2の開口部2a内に、2個のホール素子13と演算回路14が搭載されたホールIC6を配置し、このホールIC6を絶縁性包囲体5で覆設する構成とすることも可能である。このような構成とすれば、上述した第1の実施形態と比較して取り付け作業が容易となり、且つ小型、省スペース化を図ることができる。
次に、第2の実施形態について説明する。図6は、本発明の第2の実施形態に係る電流センサの構成を示す斜視図、図7は、図6におけるB−B断面図を示している。図6に示すように、この電流センサ31は、断面矩形状をなし中央部に矩形状の開口部32aが形成されたバスバー(導体)32と、バスバー32の開口部32aの一方の側面近傍に設けられた第1のMIセンサ(第1の磁気検出手段)33aと、他方の側面近傍に設けられた第2のMIセンサ(第2の磁気検出手段)33bと、開口部32a内部の2つのMIセンサ33a,33bの間に配置された演算回路(演算手段)34を備えている。
ここで、MIセンサとは、MI効果(磁気インピーダンス効果)を用いた磁気センサであり、MI効果とは、アモルファスワイヤにパルス電流を流したときのインピーダンスが微小な外部磁界によって極めて大きな変化を示す現象である。また、第1のMIセンサ33aと第2のMIセンサ33bは磁界の検出特性が同一となるものを使用している。
更に、第1,第2のMIセンサ33a,33b、及び演算回路34を含む開口部32aの周辺部は樹脂等の絶縁材料で構成された絶縁性包囲体35により全体が覆設されて一体化されている。
開口部32aは、図7に示すようにバスバー2の幅方向の略中央部に形成されており、従って開口部32aの図中左側となる導体部(第1の導体部)51と図中右側となる導体部(第2の導体部)52の断面は同一形状となり、各導体部51,52に流れる電流は略同一となる。つまり、各導体部51,52には、バスバー32全体に流れる電流の1/2となる電流がそれぞれ流れることになる。
また、上述したように第1のMIセンサ33aは、開口部32a内の導体部51近傍に配置され、第2のMIセンサ33bは、開口部32a内の導体部52近傍に配置され、この際、第1のMIセンサ33a及び第2のMIセンサ33bは、導体部51と導体部52の中心線に対して対称となる位置に配置される。つまり、導体部51から第1のMIセンサ33aまでの距離と、導体部52から第2のMIセンサ33bまでの距離が略同一となる。
各MIセンサ33a,33bは、該MIセンサ33a,33bに印加される磁界に比例した大きさとなる電圧信号を生成し、この電圧信号を演算回路34に出力する。
演算回路34は、各MIセンサ33a,33bより出力される電圧信号に基づいて、バスバー32に流れる電流値を求め、求めた電流値を後段の回路(図示せず)に出力する。
次に、上記のように構成された第2の実施形態に係る電流センサ31の作用について説明する。図7に示すように、導体部51に電流が流れることにより、電流方向に対する右ねじの方向に第1の磁界が発生し、同様に導体部52に電流が流れることにより、電流方向に対する右ねじの方向に第2の磁界が発生する。この際、上述したように、各導体部51,52に流れる電流は同一となるので、これらの電流により生じる第1の磁界、第2の磁界は大きさが等しくなる。ここで、この磁界をBIとする。
更に、バスバー32に流れる電流に起因して生じる磁界以外の外部磁界として、例えば、バスバー32の開口部32aの法線方向に向く外部磁界Bαが発生し、この外部磁界Bαが各MIセンサ33a,33bに印加された場合を想定する。
以下、外部磁界Bαが存在する場合に演算回路34で求められる電流値と、外部磁界Bαが存在しない場合に演算回路34で求められる電流値とを対比して説明する。
<外部磁界Bαが存在しない場合>
外部磁界Bαが存在しない場合には、第1のMIセンサ33aに印加される磁界はBIとなり、第1のMIセンサ33aは、磁界BIに比例した大きさとなる電圧V1を出力する。即ち、kを比例定数として(7)式で示される。
V1=k*BI ・・・(7)
また、第2のMIセンサ33bに印加される磁界は、第1のMIセンサ33aの場合と向きが逆向きとなるので−BIとなり、第2のMIセンサ33bは、磁界−BIに比例した大きさとなる電圧V2を出力する。即ち、(8)式で示される。
V2=k*(−BI) ・・・(8)
そして、演算回路34で各MIセンサ33a,33bより出力された各電圧信号V1,V2を差動増幅(減算)すると、V1−V2の値は(9)式で示される。
V1−V2=k*{BI−(−BI)}=k*2BI ・・・(9)
そして、演算回路34では、(9)式で求められたV1−V2の値に基づいて、バスバー32に流れる電流値を求めることができる。
<外部磁界Bαが存在する場合>
外部磁界Bαが存在する場合には、第1のMIセンサ33aに印加される磁界は(BI+Bα)となり、第1のMIセンサ33aは、磁界(BI+Bα)に比例した大きさとなる電圧V1を出力する。即ち、kを比例定数として(10)式で示される。
V1=k*(BI+Bα) ・・・(10)
また、第2のMIセンサ33bには、第1のMIセンサ33aの場合と向きが相違する磁界−BIが印加され、更に、外部磁界Bαは第1のMIセンサ33aの場合と向きが同一となるので、電圧V2は(11)式で示される。
V2=k*(−BI+Bα) ・・・(11)
そして、演算回路34で各MIセンサ33a,33bより出力された各電圧信号V1,V2を差動増幅すると、V1−V2の値は(12)式で示される。
V1−V2=k*{(BI+Bα)−(−BI+Bα)}
=k*2BI ・・・(12)
(9)式と(12)式を比較すると、V1−V2を演算することにより外部磁界Bαが相殺され、外部磁界の影響を受けずにバスバー32に流れる電流により発生する磁界のみを検出できることが理解される。こうして、MIセンサ33a,33bの近傍に外部磁界が存在する場合であっても、この外部磁界を相殺することにより、高精度にバスバー32に流れる電流値を求めることができる。
このようにして、第2の実施形態に係る電流センサ31では、バスバー32の中央部に開口部32aを形成し、この開口部32a内に特性が同一となる2つのMIセンサ素子33a,33bを配置し、各MIセンサ33a,33bより出力される電圧信号V1,V2の差分を演算することにより、外部磁界Bαを相殺し、バスバー32に流れる電流に起因した磁界のみについての電圧信号を得ることができる。従って、外部磁界Bαが存在する場合であっても、この影響を受けることなく、バスバー32に流れる電流により発生する磁界のみを高精度に検出することができ、電流検出精度を著しく向上させることができる。
以上、本発明の電流センサを図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。
更に、上述した実施形態では、磁気検出手段としてホール素子、MIセンサを用いる例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その他の磁気検出手段を用いることも可能である。
外部磁界が存在する場合でも導体に流れる電流を高精度に検出する上で極めて有用である。
本発明の第1の実施形態に係る電流センサの構成を示す斜視図である。 図1に示す電流センサのA−A断面図である。 開口部の近傍に発生する磁界を示す説明図である。 開口部内に生じる磁界分布を示す説明図である。 ホール素子をIC化した場合の構成を示す説明図である。 本発明の第2の実施形態に係る電流センサの構成を示す斜視図である。 図6に示す電流センサのB−B断面図である。 従来技術に係る電流センサの構成を示す説明図である。
符号の説明
1,31 電流センサ
2,32 バスバー(導体)
2a,32a 開口部
3a 第1のホール素子(第1の磁気検出手段)
3b 第2のホール素子(第2の磁気検出手段)
4,14,34 演算回路(演算手段)
5,35 絶縁性包囲体
6 2素子入りホールIC
13 ホール素子
21,22 導体部
33a 第1のMIセンサ(第1の磁気検出手段)
33b 第2のMIセンサ(第2の磁気検出手段)
51,52 導体部
101 導体
102 ホールIC
103 樹脂成形体
104 ホール素子

Claims (6)

  1. 導体に流れる電流により生じる磁界を検出し、検出された磁界に基づいて前記導体に流れる電流を検出する電流センサにおいて、
    前記導体を2つの導体部に分離して前記導体に流れる電流を分流させ、前記2つの導体部近傍にそれぞれ磁気検出手段を設け、且つ、前記各磁気検出手段は、各導体部の周囲に発生する磁界を互いに逆向きとなる方向で検出し、
    前記各磁気検出手段にて検出された磁界に基づいて、前記導体に流れる電流を求めることを特徴とする電流センサ。
  2. 導体に流れる電流により生じる磁界を検出し、検出された磁界に基づいて前記導体に流れる電流を検出する電流センサにおいて、
    前記導体を、それぞれに流れる電流が略同一となる第1の導体部と第2の導体部に分離し、前記第1の導体部の近傍に第1の磁気検出手段を設け、更に前記第2の導体の近傍に第2の磁気検出手段を設け、且つ前記第1の磁気検出手段が前記第1の導体部に生じる磁界を検出する向きと、前記第2の磁気検出手段が前記第2の導体部に生じる磁界を検出する向きが互いに逆向きとなるように前記各磁気検出手段を配置し、
    更に、前記第1の磁気検出手段により検出される磁界と前記第2の磁気検出手段により検出される磁界を減算して得られる磁界に基づいて前記導体に流れる電流を求める演算手段を備えることを特徴とする電流センサ。
  3. 前記第1の磁気検出手段及び前記第2の磁気検出手段は、前記第1の導体部と前記第2の導体部の中心線に対して対称となる位置に配置されることを特徴とする請求項2に記載の電流センサ。
  4. 前記導体の中央部に開口部を形成することにより、前記導体を前記第1の導体部、第2の導体部に分離し、前記第1の磁気検出手段、及び第2の磁気検出手段は、前記開口部内に設けられることを特徴とする請求項2または請求項3のいずれかに記載の電流センサ。
  5. 前記第1の磁気検出手段及び第2の磁気検出手段は、ホール素子であることを特徴とする請求項2〜請求項4のいずれか1項に記載の電流センサ。
  6. 前記第1の磁気検出手段及び第2の磁気検出手段は、磁気インピーダンス(MI)センサであることを特徴とする請求項2〜請求項4のいずれか1項に記載の電流センサ。
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