JP2014126384A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、外部磁界による磁気センサへの影響をほぼ同等のまま、被検出電流により発生する磁束密度から検出される信号の強度を大きくすることができ、電流検出の感度を大きくすることのできる電流センサを得ることを目的としている。
【解決手段】本発明に係る電流センサは、磁性体コア２と、磁気センサ３とを備える電流センサにおいて、磁性体コア２は、コア終端部２１と曲げ部２８からなるU字部２２と、U字部２２の内側の内部空洞部２５を遮蔽する遮蔽部２４と、U字部の端部内周側に設けられる突起部２３とを備え、突起部２３の端面に面する隙間空間に磁気センサ３を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電流線と磁性体コアと磁気センサを利用し、電流線に流れる電流を検出する電流センサに関するものである。

例えば、磁気センサを利用した従来の電流センサでは、電流により発生した磁界を集めて磁気センサにより検出するために、Cの字の形をした磁性体コアの２つの端部の間（隙間空間）に磁気センサを設置している。

しかし、地磁気や検出対象ではない電流によって発生する磁界など外部磁界中にこの電流センサがさらされた場合、隙間空間は外部磁界を遮蔽する効果が弱いため、磁気センサは外部磁界の影響を大きく受ける。

そこで、例えば、特許文献１で開示された電流センサでは、磁気センサが外部磁界にさらされないように、Cの字の形をした磁性体コアの隙間空間から離れた内部空洞部に磁気センサを設置している。

特開2007-192820号公報

特許文献１の電流センサにおいては、Cの字の形をした磁性体コアの隙間空間から磁気センサを離すことで、外部磁界による影響（磁界のノイズ成分）を小さくすることができるものの、被検出電流により発生する磁界から検出される信号の強度（磁界の信号成分）も小さくなるため、電流検出の感度（SN比）を大きくすることができないという課題があった。

本発明は、外部磁界による磁気センサへの影響をほぼ同等のまま、被検出電流により発生する磁界から検出される信号の強度を大きくすることができ、電流検出の感度を大きくすることのできる電流センサを得ることを目的としている。

本発明に係る電流センサは、磁性体コアと、磁気センサとを備える電流センサにおいて、磁性体コアは、コア終端部と曲げ部からなるU字部と、コア終端部を遮蔽する遮蔽部と、U字部の端部内周側に設けられる突起部とを備え、突起部の端面に面する隙間空間に磁気センサを有する。

本発明によれば、磁性体コアに外部磁界を遮断する遮蔽部を設けたため、外部磁界による磁気センサへの影響をほぼ同等のまま、被検出電流により発生する磁界の強度を大きくすることができ、電流検出の感度を大きくすることのできる電流センサを得ることができる。

本発明の実施の形態１による電流センサを示す斜視図である。 本発明の実施の形態１と先行例の電流センサが検出する磁束密度（信号成分）を比較するグラフである。 本発明の実施の形態１と先行例の電流センサが検出する磁束密度（ノイズ成分）を比較するグラフである。 本発明の実施の形態１と先行例の電流センサのSN比を比較するグラフである。 本発明の実施の形態２による電流センサを示す正面図である。 本発明の実施の形態３による電流センサを示す正面図である。 本発明の実施の形態３と先行例の電流センサが検出する磁束密度（信号成分）を比較するグラフである。 本発明の実施の形態３と先行例の電流センサが検出する磁束密度（ノイズ成分）を比較するグラフである。 本発明の実施の形態３と先行例の電流センサのSN比を比較するグラフである。 従来のC字型の磁性体コアを用いた電流センサを示す斜視図である。

実施の形態１．
本願発明は以下の各実施の形態に示す電流センサに限定されるものではない。

図１に本発明の実施の形態１による電流センサを示す斜視図を示す。電流センサは磁性体コア２と磁気センサ３とを有し、磁性体コア２内には電流線１が通過する。
磁性体コア２は、U字部２２、突起部２３、遮蔽部２４、とからなる。U字部２２は曲げ部２８、コア終端部２１、とからなる。U字部２２は一方の端部が遮蔽部２４に接続し、他方の端部はコア終端部２１である。磁性体コア２には例えば、フェライトや電磁鋼板、パーマロイといった磁性材料が用いられる。磁気センサ３は、電流線１に電流が流れることにより電流線１周りに発生する磁界と、その他の電流等によって発生する意図しない磁界を感知する。

U字部２２は磁性体コア２のうちで、電流線１を囲む部分でU字型である。U字部２２の内周側端部に突起部２３が設けられる。U字部２２の端部とは、先端部分だけでなく先端部分を含む所定の領域である。コア終端部２１は遮蔽部２４と接続していない側の端部である。突起部２３には１つまたは対向して２つの突起が設けられる。突起部２３の２つの突起間に存在する空間を隙間空間２７と称する。磁気センサ３の全体がこの隙間空間２７内に収まっている必要はなく、少なくとも一部が隙間空間２７内に存在していれば良い。なお図において曲げ部２８は角部を有する形状であるが、湾曲形状であっても良い。図１中ではU字部２２のうち、磁性体コア２の上側を上側部と称し、磁性体コア２の下側を下側部と称する。U字部２２の湾曲した内側の空間を内部空洞部２５と称する。

実施の形態１には突起部２３に２つの突起を設けているが、突起部２３には少なくとも１つの突起を設ければよく、下側部にだけ突起を付けて、上側部には突起を設けなくても良い。２つの突起間には磁気センサ３を設置可能な空間である隙間空間２７が存在する。U字部２２は１または２の突起を有し、２つの突起間もしくは突起とU字部２２のコア終端部２１との間に磁気センサ３が設置される。

遮蔽部２４とU字部２２とは１箇所（図１中の二点鎖線）で一体となって繋がっている。遮蔽部２４の端とコア終端部２１との間にできる空間を空隙２６と称する。また、磁性体コア２のU字部２２の中心には内部空洞部２５が形成される。隙間空間２７と空隙２６は、電流線１を磁性体コア２の内側に物理的に取り付けやすくするために設けられるという理由もある。

電流線１は電流が流れる銅などの金属であり、電流線１の形状は内部空洞部２５内に収まるのであれば、どのような形状であってもよい。電流線１を流れる電流は電流線１の周囲を環状に、電流に比例した磁界を発生させる。

磁気センサ３は磁性体コア２の２つの突起間付近に設置され、突起間の磁界を検出する。磁気センサ３は、図示しない磁界検出素子と回路を備える基盤とを有している。磁界検出素子には例えば、ホール素子やＭＲ素子などが用いられる。本明細書中において、磁気センサ３は磁界の検出方向をY軸方向とするように設置することとする。

続いて、磁性体コア２の内部を通る磁束を説明する。磁束は空気中よりも磁性体の方を通りやすいことから、電流線１の周りに発生した磁束は、磁性体コア２のU字部２２を通る。例えば電流が電流線１を紙面奥から紙面手前方向へ流れる場合、磁束は図１のU字部２２を反時計回りに通る。磁束はU字部２２上側部で磁気センサ３と遮蔽部２４とに別れ、U字部２２の下側部で再び統合する。磁性体コア２を通る磁束の経路の途中には空隙２６と、隙間空間２７とを介するが、これらの間隔は短いため,磁束は空気中を通過する。

続いて、磁性体コア２に外部磁界が印加された場合の磁界を説明する。磁性体コア２の周囲の外部磁界は実際にはX，Y，Z軸全方向から印加される可能性があるものの、磁気センサ３が検知できる方向と同じY軸方向から印加された場合の影響が大きい。

磁気センサ３は２つの突起部２３に生じる磁界を検出し、磁界に比例した信号を出力する。空隙２６はX方向に開いており、２つの突起間の隙間空間２７はY方向に開いており、２つの方向は互いに異なる向きとなる。磁性体コア２は、U字部２２の内側の内部空洞部２５内に、磁気センサ３よりも曲げ部２８側に電流線１の貫通空間を有している。なお、電流線１は磁性体コア２に接触していても構わない。本発明の磁性体コア２の遮蔽部２４の水平（X軸）方向の幅はT3であり、横（X軸）方向の長さはaである。始点（Xo）は遮蔽部２４の左端となっている。

図１０は従来のC字型の磁性体コア３０を用いた電流センサを示す斜視図であり、磁気センサ３がｘ方向に移動した電流センサは特許文献１の電流センサである。図１に示す本発明の磁性体コア２と従来のC字型の磁性体コア３０との違いを明確に示すために図１０に従来のC字型の磁性体コア３０を示している。

図１０に示す従来のC字型の磁性体コア３０と、図１に示す本発明の磁性体コア２とは、横（X軸）方向の長さa、磁性体コアの縦（Y軸）方向の長さb、奥行き（Z軸）方向の長さc、磁性体コアの水平（X軸）方向の太さT1、磁性体コア２の鉛直（Y軸）方向の太さT2が同一である。従来のC字型の磁性体コア３０の左端を始点（Xo）として、磁気センサ３までの距離をｘとする。

従来のC字型の磁性体コア３０には遮蔽部はないが、図１に示す本発明の磁性体コア２と、図１０に示す従来のC字型の磁性体コア３０との横方向の長さ（a）は同一である。

図２〜図４は、従来のC字型の磁性体コア３０を用いた電流センサ（点線のグラフ）と、実施の形態１の電流センサ（実線のグラフ）において、それぞれ、被測定電流により発生する磁束密度の大きさ、外部磁界による磁束密度の大きさ、SN比とを比較したグラフである。磁性体コアの左端がグラフの左端（Xo）に対応しており、グラフの右端は磁性体コアの内部空洞部２５の電流線１の左端に対応している。図２〜図４では磁性体コアの左端からX軸方向に移動した位置での磁束密度を示している。

点線のグラフにおいてP0地点が従来の電流センサである。点線のグラフにおいてP1地点が特許文献１の電流センサである。実線のグラフにおいてP2地点が本発明の実施の形態１の電流センサである。

図２は被測定電流により発生する磁束密度の大きさを示すグラフであり、磁束密度が高いほど信号の強度を強く検出可能である。図２に示すように、実施の形態１のような構成にすれば、被検出電流により発生する磁束密度は、突起部２３の付近（P2地点）で極大値となり、従来の電流センサ（P0地点）とほとんど同じ大きさになる。このため、実施の形態１の電流センサは従来の電流センサとほぼ同等の磁束密度（信号強度）を検出できる。また、特許文献１の突起が、磁気センサ３から離れているためにP1地点の磁束密度は小さくなる。したがって、実施の形態１のP2地点の磁束密度は、特許文献１のP1地点の磁束密度よりも高い値となっている。なお、コアの突起部２３に磁束を集めるためには、磁束が他の経路を通り難くなるようにする必要があるため、空隙２６が不可欠である。

図３はY軸方向から一定の外部磁界を印加した場合の磁束密度の大きさを示すグラフであり、磁束密度が大きいほどノイズレベルが高い。図３に示すように、実施の形態１のような構成にすれば、外部磁界により発生する磁束密度は、突起部２３の付近（P2地点）で極大値となるものの、実施の形態１の電流センサは、特許文献１の電流センサと比べノイズレベルはほぼ同等である。

続いて、Y軸方向からの外部磁界が磁性体コア２に与える影響を示す。外部空間の下部からY軸方向に印加された外部磁界による磁束は、磁性体コア２の下側部から、磁性体コア２内部を通り、上側部から外部空間へ出る。図１の磁性体コア２にはU字部２２の右側部分と遮蔽部２４の２箇所にY軸方向に切れ目のない磁性体があるため、２つの突起の間にはあまり磁束が通らない。実施の形態１の電流センサにおいて空隙２６は磁性体コア２の下側部または上側部に設けるのが望ましい。

図４に示すSN比は、図２と図３の結果を元に計算され、SN比が大きいほど感度が高いことを示す。図４に示すように、実施の形態１の電流センサのSN比は、特許文献１の電流センサのSN比よりも大きい値となっている。図４に示すようにSN比は、本発明（P2地点）＞先行文献１（P1地点）＞従来技術（P0地点）となっている。

実施の形態１の電流センサは、遮蔽部２４を設け、空隙２６を下側部または上側部に設けたため、外部磁界による磁気センサ３への影響をほぼ同等のまま、被検出電流により発生する磁束密度の強度を大きくすることができ、電流検出の感度を大きくすることのできる電流センサを得ることができる。

実施の形態２．
図５に本発明の実施の形態２による電流センサを示す正面図を示す。実施の形態２の電流センサは、実施の形態１の電流センサの構成において、磁性体コア２の２つの突起間の距離ｄが、U字部２２の端部と遮蔽部２４との間にできる距離ｗよりも狭いことを特徴としている。

電流が流れることで発生した磁界によって磁性体内に生じる磁束は、電流線１を中心に磁性体コア２内の２つの経路を通る。第１の経路は、U字部２２と２つの突起と、隙間空間２７を通る内側の経路であり、第２の経路は磁性体コア２内と空隙２６を通る外側の経路である。磁束は磁気抵抗がより小さい経路を通ることから、隙間空間２７が、空隙２６より狭い構成にすれば、磁気抵抗が小さくなった２つの突起間を被検出電流によって発生した磁界によって磁性体内に発生する磁束がより通過することになり、信号の強度が大きくなる。

したがって、実施の形態２の電流センサは、磁性体コア２の２つの突起間の距離ｄを、磁性体コア２の端部と遮蔽部２４との間にできる距離ｗよりも狭くすることで、被検出電流により発生する磁界から検出される信号の強度が大きくなり、実施の形態１よりも更に微小な電流を検知可能となる。

実施の形態３．
図６は本発明の実施の形態３による電流センサを説明する正面図である。図６において、図６（a）は実施の形態１の電流センサを示しており、図６（ｂ）は実施の形態３の電流センサを示している。図６（a）は突起の幅Xdがｍである電流センサの構成を示す図であり、図６（ｂ）は突起の幅Xdがｎである電流センサの構成を示す図である。図６で示すようにｍ＜ｎとなっている。図７は本発明の実施の形態３と実施の形態１の電流センサの、電流線に流れる電流により発生する磁束密度を比較するグラフである。図８は本発明の実施の形態３と実施の形態１の電流センサにY軸方向から一定の外部磁界を印加した場合に、磁性体コア内空洞部分における磁束密度を比較するグラフである。図９は本発明の実施の形態３と実施の形態１の電流センサのSN比を比較するグラフである。

実施の形態３では電流センサの突起部２３の突起の幅Xdを実施の形態１よりも広くしている。突起の幅XdはX方向の長さであり、突起の間の距離は長さｄである。実施の形態３の電流センサは、磁性体コア２の突起の幅Xdが、突起間の距離ｄよりも長いことを特徴とする構成である。

図７、８に示すように、図６（a）に示す磁性体コアを利用した電流センサと、図６（ｂ）に示す磁性体コアを利用した電流センサの磁束密度の大きさを比較すると、突起の幅Xdがｎである磁性体コア２を利用した電流センサは、信号とノイズが大きい。それに伴い、図９に示すように突起付近でのSN比はほとんど変わらないが、突起の幅がｎである磁性体コア２のほうが、突起の幅がｍである磁性体コア２よりもXoから点P’までの間のSN比が向上する。これは突起の幅Xdが広がることで、より広範囲に磁束が集まるからである。図９では図６（ｂ）の磁性体コア（点線）のほうが図６（a）の磁性体コア（実線）よりもP'点の左側においてSN比が大きい。SN比が所定の値以上であるように電流センサを設計する場合、図６（ｂ）の磁性体コア（点線）のほうが、所望の値以上となるｘの範囲が広いので、磁気センサ３の取り付け位置が拡大する。したがって、磁性体コア２の突起の幅Xdを大きくすると、SN比が所定の値以上となるxの範囲が広がるため、磁気センサ３の取り付け位置が拡大する。図６（ｂ）の突起は、左端は磁性体コア２のコア終端部２１まで、右端は電流線１の左端よりも左側であればどの位置であってもよい。

実施の形態３の電流センサは、磁性体コア２の２つの突起の幅Xdが、突起間の距離ｄよりも長い構成としたため、磁気センサ３の取り付け位置を拡大することができる。

１ 電流線
２ 磁性体コア
３ 磁気センサ
２１ コア終端部
２２ U字部
２３ 突起部
２４ 遮蔽部
２５ 内部空洞部
２７ 隙間空間
２８ 曲げ部

Claims (6)

1. 磁性体コアと、磁気センサとを備える電流センサにおいて、
   前記磁性体コアは、コア終端部と曲げ部からなるU字部と、
   前記U字部の内側の内部空洞部を遮蔽する遮蔽部と、
   前記U字部の端部内周側に設けられる突起部とを備え、
   前記突起部の端面に面する隙間空間に前記磁気センサを配置し、
   前記内部空洞部に前記磁気センサよりも前記曲げ部側に電流線の貫通空間を有する
   ことを特徴とする電流センサ。
2. 前記突起部は、前記U字部の両端部に設けられる２つの突起からなることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記遮蔽部は、前記U字部の一方の端部に接続し、
   前記U字部の他方の端部で乖離している
   ことを特徴とする請求項２に記載の電流センサ。
4. 前記U字部の前記２つの突起間の距離は、
   前記他方の端部と前記遮蔽部との距離よりも短い
   ことを特徴とする請求項３に記載の電流センサ。
5. 前記２つの突起間の距離を前記突起部の水平方向長さより短くしたことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の電流センサ。
6. 前記突起部は、前記U字部の一方の端部に設けられる突起からなることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。

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