JP2017102056A - 電流センサー - Google Patents

Abstract

【課題】１Ａを下回る程度の小電流から５Ａを超える程度の大電流に至るまで高い分解能を確保可能な電流センサーを提供すること。【解決手段】電流センサー１は、第一の軟磁性材料によって構成された環状体である第一磁性コア１１と、第一の軟磁性材料とは磁気特性の異なる第二の軟磁性材料によって構成された環状体である第二磁性コア１２と、第一磁性コア１１に巻かれた第一コイル２１と、第二磁性コアに巻かれた第二コイル２２とを備える。第一コイル２１及び第二コイル２２は、直列に接続されることによって直列回路が構成されている。【選択図】図１

Description

本開示は、電流センサーに関する。

交流電流を非接触で検出可能な電流センサーが知られている。また、この種の電流センサーとして、二つの磁性コアを有し、各磁性コアに巻かれたコイルが直列接続された構造とされたものは既に提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１３−２１７９１４号公報

ところで、この種の電流センサーにおいては、用途によっては、１Ａを下回る程度の小電流であっても、５Ａを超えるような大電流であっても、それぞれの電流値を高い分解能で検出したい、という要望がある。

しかし、１Ａを下回る程度の小電流なら好適な分解能を確保可能な電流センサーであっても、５Ａを超える程度の大電流になると適切に分解能を確保できないことがある。その逆に、５Ａを超える程度の大電流なら好適な分解能を確保可能な電流センサーであっても、１Ａを下回る程度の小電流になると適切に分解能を確保できないことがある。

以上のような事情から、１Ａを下回る程度の小電流から５Ａを超える程度の大電流に至るまで高い分解能を確保可能な電流センサーを提供することが望ましい。

以下に説明する電流センサーは、第一の軟磁性材料によって構成された環状体である第一磁性コアと、第一の軟磁性材料とは磁気特性の異なる第二の軟磁性材料によって構成された環状体である第二磁性コアと、第一磁性コアに巻かれた第一コイルと、第二磁性コアに巻かれた第二コイルとを備え、第一コイル及び第二コイルは、直列に接続されることによって直列回路が構成されており、使用時には、第一磁性コア及び第二磁性コアの内周側に導体が通され、当該導体に交流電流が流された際には、第一磁性コア及び第二磁性コアそれぞれの内部に発生する磁束の変化に応じた電流が、第一コイル及び第二コイルそれぞれにおいて発生し、その際に直列回路に発生する電流又は電圧に基づいて、導体に流された交流電流の電流値を測定可能に構成されている。

このように構成された電流センサーによれば、第一磁性コアは第一の軟磁性材料によって構成され、第二磁性コアは第一の軟磁性材料とは磁気特性の異なる第二の軟磁性材料によって構成されている。そのため、電流センサーの特性を、第一磁性コア及び第二磁性コアの双方が同一の軟磁性材料によって構成されている場合とは異なる特性に調整することが可能となる。

例えば、第一磁性コア側が５Ａを超える程度の大電流になると適切に分解能を確保できない傾向がある場合、第二磁性コア側には５Ａを超える程度の大電流について好適な分解能を確保可能な傾向があるものを組み合わせる。あるいは、例えば、第一磁性コア側が１Ａを下回る程度の小電流になると適切に分解能を確保できない傾向がある場合、第二磁性コア側には１Ａを下回る程度の小電流について好適な分解能を確保可能な傾向があるものを組み合わせる。このような調整を行うことにより、電流センサーの特性を最適化し、広い電流範囲において電流センサーの分解能を高めることが可能となる。すなわち、本開示によれば、第一磁性コア及び第二磁性コアの双方が同一の軟磁性材料によって構成されている場合以上に、高い分解能を確保可能な電流センサーを提供することができる。

図１は電流センサーの概念的な構成を示す構成図である。 図２は実施例、比較例１、及び比較例２の出力特性を示すグラフである。 図３は実施例、比較例３、及び比較例４の出力特性を示すグラフである。

次に、上述の電流センサーについて、例示的な実施形態を挙げて説明する。
［電流センサー１の概略構成］
図１に示すように、以下に説明する電流センサー１は、第一磁性コア１１と、第二磁性コア１２と、第一コイル２１と、第二コイル２２とを備える。本実施形態の場合、第一磁性コア１１は、軟磁性材料の一つであるマンガン亜鉛フェライト（本開示でいう第一の軟磁性材料の一例に相当。）によって構成された環状体である。このような第一磁性コア１１は、あらかじめ環状に成形されたものであってもよいし、分割された環状体の一部に相当する形状に成形された分割体を組み合わせることによって環状体を構成可能なものであってもよい。

また、本実施形態の場合、第二磁性コア１２は、軟磁性材料の一つである鉄アルミケイ素合金（より詳しくは、センダスト（登録商標、以下同様。）、本開示でいう第二の軟磁性材料の一例に相当。）によって構成された環状体である。このような第二磁性コア１２も、第一磁性コア１１と同様に、あらかじめ環状に成形されたものであってもよいし、分割された環状体の一部に相当する形状に成形された分割体を組み合わせることによって環状体を構成可能なものであってもよい。

第一コイル２１は、導線を第一磁性コア１１に巻くことによって構成されたコイルである。第二コイル２２は、導線を第二磁性コア１２に巻くことによって構成されたコイルである。これら第一コイル２１及び第二コイル２２は、直列に接続されることによって直列回路が構成されている。

このように構成された電流センサー１を使用する際には、第一磁性コア１１及び第二磁性コア１２の内周側に、測定対象となる交流電流の流れる導体３０が通される。第一磁性コア１１及び第二磁性コア１２の内周側に導体３０を通す方法としては、図１に示すようにコアの内周側を貫通するように導体３０を通してもよいし、第一コイル２１や第二コイル２２と同様に導体３０をコアに巻き付けてもよい。

導体３０をコアに巻き付ける場合、第一磁性コア１１及び第二磁性コア１２は、上述のような分割体を組み合わせて環状体を構成可能なものであると利便性が高い。また、既設の配線に対して電流センサー１を取り付けたい場合も、第一磁性コア１１及び第二磁性コア１２が分割体を組み合わせて環状体を構成可能なものであると利便性が高い。

このような導体３０に測定対象となる交流電流（図１中に示す一次電流Ｉ₁）が流された際には、第一磁性コア１１及び第二磁性コア１２それぞれの内部に磁束が発生する。そして、その磁束の変化に応じた電流が第一コイル２１及び第二コイル２２それぞれにおいて発生し、第一コイル２１及び第二コイル２２には二次電流（図１中に示す二次電流Ｉ₂）が誘起される。上述の直列回路には負荷抵抗Ｒ_Lが接続され、これにより、測定対象となる交流電流の電流値に応じた出力（図１中に示す二次電圧Ｖ₂）を得ることができる。なお、測定対象となる交流電流の電流値に応じた出力を測定する方法としては、上述の二次電圧Ｖ₂の電圧値を電圧計で測定する代わりに、負荷抵抗Ｒ_Lが配置された箇所に電流計を配置して、二次電流Ｉ₂の電流値を測定するように構成してもよい。

［性能評価］
上述の電流センサー１の性能を以下の手法で評価した。測定対象となる交流電流（一次電流Ｉ₁）を０．１Ａから２５Ａまで変化させ、各電流値に対応する出力（二次電圧Ｖ₂）を計測した。そして、一次電流Ｉ₁が０．１Ａの場合の出力（二次電圧Ｖ₂）を基準にして、一次電流Ｉ₁が各電流値となった場合の出力（二次電圧Ｖ₂）が、基準に対してどの程度増加するのか（増加割合）を、下記の数式１に基づいて算出した（実施例）。

［数式１］
(増加割合)＝((各電流値に対応する出力)−(基準となる出力))／(基準となる出力)
また、比較のため、マンガン亜鉛フェライト製のコアを一つだけ採用した例（比較例１）、二つのコアが双方ともマンガン亜鉛フェライト製とされている例（比較例２）についても、実施例と同様の手法で増加割合を算出した。また、比較のため、鉄アルミケイ素合金（センダスト）製のコアを一つだけ採用した例（比較例３）、二つのコアが双方とも鉄アルミケイ素合金（センダスト）製とされている例（比較例４）についても、実施例と同様の手法で増加割合を算出した。なお、本性能評価では、実施例、及び比較例１〜４のいずれにおいても、一次側の巻き線数を１０、二次側の巻線数を９０、負荷抵抗Ｒ_Lは１００Ωとした。

一次電流Ｉ₁に対応する二次電圧Ｖ₂の測定結果、及び二次電圧Ｖ₂の増加割合の算出結果を表１に示す。また、横軸を一次電流Ｉ₁、縦軸を二次電圧Ｖ₂の増加割合として作図したグラフを図２及び図３に示す。

図２及び図３に示すグラフは、グラフの傾きが大となっている程、一次電流Ｉ₁の僅かな変化に対応して二次電圧Ｖ₂が大きく変化することを示している。したがって、グラフの傾きが大となっている程、電流センサーの分解能が高いと言える。グラフの傾きが小となっている場合、一次電流Ｉ₁が変化しても二次電圧Ｖ₂が大きくは変化しないことを意味するので、一次電流Ｉ₁の僅かな変化を精度よく検出することは難しい。また、グラフに負の傾きを持つ領域が含まれる場合、そのような領域では一次電流Ｉ₁を正しく検出することができない。

図２に表れるように、比較例１（Ｍｎ−Ｚｎフェライト×１）の場合は、マンガン亜鉛フェライト製のコアを一つだけ採用しているため、測定対象電流が大きくなるとコアが飽和しやすく、ある程度（２Ａ辺り）以上の大電流領域では一次電流Ｉ₁を正しく検出することができない。したがって、ある程度（２Ａ辺り）以下の小電流領域での使用に限定しないと、適切な分解能を確保することが難しい。

また、比較例２（Ｍｎ−Ｚｎフェライト×２）の場合は、マンガン亜鉛フェライト製のコアを二つ採用しているため、比較例１に比べれば、より大電流にも対応可能となる傾向はある。しかし、ある程度（３Ａ辺り）以上まで大電流になると、比較例２でも、やはり出力の増加割合は鈍化する（すなわち、グラフの傾きが小となる）傾向がある。

これに対し、実施例（Ｍｎ−Ｚｎフェライト＋Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ）の場合は、マンガン亜鉛フェライト製のコアと鉄アルミケイ素合金（センダスト）製のコアとを組み合わせて採用しているため、ある程度（３Ａ辺り）以上に大電流になっても比較例２ほど出力の増加割合は鈍化しない。したがって、実施例の電流センサー１であれば、広い電流範囲にわたって高い分解能を維持することができる。

また、図３に表れるように、比較例３（Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ×１）の場合は、鉄アルミケイ素合金（センダスト）製のコアを採用しているため、ある程度（２Ａ〜３Ａ辺り）以上の大電流領域では高い分解能を示す。しかし、それよりも小電流領域（２Ａ〜３Ａ辺り以下）では、大電流領域に比べると、出力の増加割合が必ずしも大きくなく、期待するほど分解能は高くない。

比較例４（Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ×２）の場合は、二つのコアが双方とも鉄アルミケイ素合金（センダスト）製とされているので、比較例３に比べると、全体的に出力の増加割合は大きくなる。しかし、ある程度（２Ａ〜３Ａ辺り）以上の大電流領域では極めて高い分解能を示すのに比べ、それよりも小電流領域（２Ａ〜３Ａ辺り以下）では、やはり出力の増加割合は必ずしも大きくない。

これに対し、実施例（Ｍｎ−Ｚｎフェライト＋Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ）の場合は、小電流領域（５Ａ辺り以下）においては出力の増加割合が比較例４を上回り、高分解能を示す。ある程度（５Ａ辺り）以上の大電流領域では比較例４の方が実施例よりも高い分解能を示すが、このような実施例であっても比較例１のような実用上の問題はなく、小電流領域において比較例４よりも分解能が高い点を加味すれば、全体としては実施例は比較例４と同等以上に優れた性能を有すると評価できる。

また、マンガン亜鉛フェライトに比べると、鉄アルミケイ素合金（センダスト）は高価な材料なので、実施例の電流センサー１の方が比較例４の電流センサーよりも低コストで製造できる。したがって、そのようなコスト面も考慮すれば、実施例の電流センサー１は比較例４の電流センサーに対して優位性がある。

［効果］
以上説明したように、上述の電流センサー１によれば、第一磁性コア１１は第一の軟磁性材料によって構成され、第二磁性コア１２は第一の軟磁性材料とは磁気特性の異なる第二の軟磁性材料によって構成されている。そのため、電流センサー１の特性を、第一磁性コア１１及び第二磁性コア１２の双方が同一の軟磁性材料によって構成されている場合とは異なる特性に調整することが可能となる。このような調整を行うことにより、電流センサー１の特性を最適化し、電流センサー１の分解能を高めることが可能となる。

［その他の実施形態］
以上、電流センサーについて、例示的な実施形態を挙げて説明したが、上述の実施形態は本開示の一態様として例示されるものに過ぎない。すなわち、本開示は、上述の例示的な実施形態に限定されるものではなく、本開示の技術的思想を逸脱しない範囲内において、様々な形態で実施することができる。

例えば、上記実施形態では、第一の軟磁性材料がマンガン亜鉛フェライトで、第二の軟磁性材料が鉄アルミケイ素合金（センダスト）、という組み合わせを例示したが、利用する軟磁性材料の組み合わせは、これらに限定されない。この種の磁性コアを構成可能な軟磁性材料としては、上述のマンガン亜鉛フェライト及び鉄アルミケイ素合金（センダスト）の他、ニッケル鉄合金（パーマロイ）、コバルト鉄合金、鉄ケイ素ホウ素系合金、各種フェライト系磁性材料、アモルファス系磁性材料などを挙げることができる。

フェライト系磁性材料としては、上述のマンガン亜鉛フェライトの他には、ニッケル亜鉛フェライト、マグネシウム亜鉛フェライト、銅亜鉛フェライト、磁鉄鉱等のスピネル型結晶構造を有するスピネルフェライト、バリウムフェライト、ストロンチウムフェライト等の六方晶フェライト、イットリウム鉄ガーネットなどのガーネットフェライト等を挙げることができる。

アモルファス系磁性材料としては、鉄合金系、コバルト合金系、ニッケル合金系、これらの混合合金系アモルファスなどが挙げられる。
これらの磁性材料は、互いの特性を補い合うような組み合わせで二種を選定すると好ましい。

［補足］
なお、以上説明した例示的な実施形態から明らかなように、本明細書で説明した電流センサーは、更に以下に挙げるような構成を備えていてもよい。

まず、本明細書で説明した電流センサーにおいて、第一の軟磁性材料は、マンガン亜鉛フェライトであってもよい。この場合、第二の軟磁性材料としては、マンガン亜鉛フェライト以外の軟磁性材料を採用する。これにより、電流センサーの特性を、第一磁性コア及び第二磁性コアの双方がマンガン亜鉛フェライトによって構成されている場合とは異なる特性に調整することが可能となり、そのような調整によって電流センサーの分解能を高めることも可能となる。

また、本明細書で説明した電流センサーにおいて、第二の軟磁性材料は、鉄アルミケイ素合金であってもよい。この場合、第一の軟磁性材料としては、鉄アルミケイ素合金以外の軟磁性材料を採用する。これにより、電流センサーの特性を、第一磁性コア及び第二磁性コアの双方が鉄アルミケイ素合金によって構成されている場合とは異なる特性に調整することが可能となり、そのような調整によって電流センサーの分解能を高めることも可能となる。

また、本明細書で説明した電流センサーにおいて、第一の軟磁性材料は、マンガン亜鉛フェライトであり、第二の軟磁性材料は、鉄アルミケイ素合金であってもよい。このように構成された電流センサーによれば、電流センサーの特性を、第一磁性コア及び第二磁性コアの双方が第一磁性コア及び第二磁性コアの双方がマンガン亜鉛フェライトによって構成されている場合とは異なる特性に調整することが可能となる。また、電流センサーの特性を、第一磁性コア及び第二磁性コアの双方が鉄アルミケイ素合金によって構成されている場合とは異なる特性に調整することが可能となる。したがって、そのような調整によって電流センサーの分解能を高めることも可能となる。

１…電流センサー、１１…第一磁性コア、１２…第二磁性コア、２１…第一コイル、２２…第二コイル、３０…導体。

Claims (4)

1. 第一の軟磁性材料によって構成された環状体である第一磁性コアと、
   前記第一の軟磁性材料とは磁気特性の異なる第二の軟磁性材料によって構成された環状体である第二磁性コアと、
   前記第一磁性コアに巻かれた第一コイルと、
   前記第二磁性コアに巻かれた第二コイルと
   を備え、
   前記第一コイル及び前記第二コイルは、直列に接続されることによって直列回路が構成されており、
   使用時には、前記第一磁性コア及び前記第二磁性コアの内周側に導体が通され、当該導体に交流電流が流された際には、前記第一磁性コア及び前記第二磁性コアそれぞれの内部に発生する磁束の変化に応じた電流が、前記第一コイル及び前記第二コイルそれぞれにおいて発生し、その際に前記直列回路に発生する電流又は電圧に基づいて、前記導体に流された交流電流の電流値を測定可能に構成されている
   電流センサー。
2. 請求項１に記載の電流センサーであって、
   前記第一の軟磁性材料は、マンガン亜鉛フェライトである
   電流センサー。
3. 請求項１に記載の電流センサーであって、
   前記第二の軟磁性材料は、鉄アルミケイ素合金である
   電流センサー。
4. 請求項１に記載の電流センサーであって、
   前記第一の軟磁性材料は、マンガン亜鉛フェライトであり、
   前記第二の軟磁性材料は、鉄アルミケイ素合金である
   電流センサー。