JP5516947B2 - 電流センサ - Google Patents

Description

本発明は、電流センサに関する。

車両に搭載される電気接続箱には、電流経路となるバスバーに流れる電流の大きさを検出するための電流センサが設置される場合がある。この電流センサとしては、磁気比例式の電流センサが用いられる場合が多い。

磁気比例式の電流センサとは、電流経路となる導体が挿通されている磁性体コアのギャップ中にホール素子等の磁電変換素子を配置するとともに、その磁電変換素子によってギャップ中の磁界の強さを電圧信号に変換することで導体に流れる電流の大きさを検出するものである。

磁気比例式の電流センサは、例えば、ハイブリッドカーや電気自動車のバッテリとインバータとの間に流れる電流を検出するために用いられる。また、車両に搭載された鉛バッテリの充放電電流を検出するための手段としても用いられる（特許文献１を参照）。

また、従来、互いに磁気特性の異なる磁性材料で形成された第１コア及び第２コアを備えており、第１コア及び第２コアに形成されたギャップ中に磁電変換素子をそれぞれ配置した電流センサが知られている（特許文献２を参照）。この電流センサによれば、電流の大きさに合わせて第１コア及び第２コアを使い分けることが可能である。例えば、電流値がある基準値よりも小さい場合には、第１コアによって電流値を検出することが可能であり、電流値がある基準値よりも大きい場合は、第２コアによって電流値を検出することが可能である。これにより、導体に流れる電流の電流値をより広範囲にかつ精密に検出することが可能となる。

特開２００６−２９２６９２号公報 特開２００６−１１２９５７号公報

しかし、上記した特許文献２に記載の電流センサでは、ケースの内部に第１コア及び第２コアを別々に組み付けなければならない。このため、磁性体コアをケースに組み付ける作業が煩雑であるという問題があった。

本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、導体に流れる電流の大きさをより広範囲にかつ精密に検出することが可能になるとともに、磁性体コアをケースに組み付ける作業が容易になる電流センサを提供することを目的とする。

本発明の電流センサは、磁性体コアに挿通された導体に流れる電流の大きさを、前記磁性体コアのギャップ中に配置された磁電変換素子によって検出する電流センサであって、前記磁性体コアは、互いに磁気特性の異なる磁性材料で形成された第１コア及び第２コアからなり、前記第１コア及び前記２コアにはそれぞれギャップが形成されており、前記第１コア及び前記第２コアに形成されたギャップ中にはそれぞれ磁電変換素子が配置されており、前記第１コア及び前記第２コアは、ほぼ同一形状に形成されており、かつ、それらのギャップの位置が一致するようにして重ねられた状態で一体化されていることを特徴とする電流センサである。

本発明の電流センサによれば、互いに異なる磁性材料で形成された第１コア及び第２コアを備えているために、導体に流れる電流の大きさをより広範囲にかつ精密に検出することが可能になる。また、本発明の電流センサによれば、第１コア及び第２コアが一体化されているために、第１コア及び第２コアを別々に組み付ける必要がなく、第１コア及び第２コアをケースに対して容易に組み付けることが可能となる。

本発明の電流センサにおいて、前記第１コアは、前記第２コアよりも透磁率の高い材料で形成されていることが好ましい。
このような構成によれば、電流値がある基準値よりも小さい場合には、第１コアによって電流値を検出することが可能であり、電流値がある基準値よりも大きい場合には、第２コアによって電流値を検出することが可能である。これにより、導体に流れる電流の大きさをより広範囲にかつ精密に検出することが可能になる。

すなわち、透磁率の高い材料で形成されている第１コアは、電流値が小さい（磁界強度が弱い）場合であっても生じる磁束が多いので、電流値の検出感度が高く、電流値の小さい領域での使用に適しているが、磁気飽和しやすい。一方、透磁率の低い材料で形成されている第２コアは、電流値の検出感度は第１コアよりも若干劣るものの、電流値が大きい場合であっても磁気飽和しにくいために、電流値の大きい領域での使用に適している。したがって、第１コア及び第２コアを電流値の大きさに応じて適切に使い分けることによって、導体に流れる電流の大きさをより広範囲にかつ精密に検出することが可能になる。

本発明の電流センサにおいて、前記第１コア及び前記第２コアの間には、非磁性材料からなる非磁性層が介在していることが好ましい。
このような構成によれば、第１コア及び第２コアを磁気的に分離することが可能である。したがって、第１コア及び第２コアが磁束の漏れによって互いに干渉し合うことを防止することが可能であり、導体に流れる電流の大きさをより精密に検出することが可能となる。

本発明によれば、導体に流れる電流の大きさをより広範囲にかつ精密に検出することが可能になるとともに、磁性体コアをケースに組み付ける作業が容易になる電流センサを提供することが可能となる。

電流センサの斜視図である。 電流センサの分解斜視図である。 電流センサの平面図である。 電流センサの断面図である。 電流センサの変形例を示す平面図である。 電流センサの変形例を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１〜図４に示すように、本実施形態に係る電流センサ１０は、磁性材料により形成された磁性体コア１２を備えている。磁性体コア１２は、その全体の形状が略円形状でかつ略「Ｃ」字状に形成されており、電流経路となる金属製のバスバー１４の周囲を取り囲むようにして配置されている（図１参照）。言い換えると、バスバー１４は、略Ｃ字状に形成された磁性体コア１２の中心部１３に挿通されている。このバスバー１４が、本発明の「導体」に対応している。なお、図２〜図４では、バスバー１４を省略している。

磁性体コア１２は、第１コア１６及び第２コア１８によって構成されている。第１コア１６及び第２コア１８は、互いに磁気特性の異なる磁性材料によってほぼ同一形状に形成されている。

第１コア１６及び第２コア１８には、それぞれ、所定の大きさのギャップ２０、２２が形成されている。第１コア１６及び第２コア１８は、それらのギャップ２０、２２の位置が一致するようにして、重ねられた状態で一体化されている。

第１コア１６のギャップ２０中には、第１磁電変換素子２４が配置されている。一方、第２コア１８のギャップ２２中には、第２磁電変換素子２６が配置されている。第１磁電変換素子２４及び第２磁電変換素子２６は、例えばホール素子などの磁界の強さを電圧信号に変換することのできる素子によって構成されている。

バスバー１４に電流が流れることで発生した磁束は、第１コア１６及び第２コア１８に集束されるとともに、第１コア１６及び第２コア１８のギャップ２０、２２中には、磁界が発生する。

したがって、第１コア１６のギャップ２０中の磁界の強さを第１磁電変換素子２４によって電圧信号に変換することによって、バスバー１４に流れる電流の大きさを検出することが可能である。また、第２コア１８のギャップ２２中の磁界の強さを第２磁電変換素子２６によって電圧信号に変換することによって、バスバー１４に流れる電流の大きさを検出することが可能である。

第１コア１６は、例えばパーマロイなどの透磁率の高い磁性材料によって形成されている。一方、第２コア１８は、例えば純鉄や珪素鋼材といった第１コア１６の材料よりも透磁率が低いが飽和磁束密度 (Bs)が大きい磁性材料によって形成されている。

第１コア１６及び第２コア１８は、板状の磁性材料を例えばプレス機によって略Ｃ字状に打ち抜くことによって製造することが可能である。あるいは、粉末状の磁性材料を成形型内で圧縮成形したり、粉末状の磁性材料を成形型内で圧縮した後に焼結することによって製造することが可能である。

第１コア１６及び第２コア１８の間には、非磁性材料からなる非磁性層２８が介在している。非磁性層２８は、比透磁率が１もしくは１に近い非磁性材料、例えば銅などによって形成されている。第１コア１６及び第２コア１８は、それらの間に非磁性層２８を介在させた状態で接着剤などによって積層一体化されている。

図１〜図４に示すように、電流センサ１０は、磁性体コア１２をその内部に収容する合成樹脂製のケース３０を備えている。ケース３０は、磁性体コア１２がその上面側に取り付けられる底板部３２と、底板部３２の上面側に取り付けられた磁性体コア１２の上方に被せられる図示しないキャップ部を備えている。底板部３２には、バスバー１４を挿通させるための略円形の挿通孔３３が設けられている。

ケース３０の底板部３２の上面には、２本の柱状の固定部３４が立設されている。一方、磁性体コア１２の側面には、互いに１８０度離れた位置に２つの固定用リブ３６が一体的に設けられている。固定用リブ３６を固定部３４の内面側に設けられた断面略コの字型の固定溝３８に対して上方から嵌合させることによって、底板部３２の上面側に磁性体コア１２を回転不能な状態で固定することが可能となっている。

また、ケース３０の底板部３２の上面には、略Ｌ字形状の板状部材からなる一対の基板固定部４０ａ、４０ｂが立設されている。一対の基板固定部４０ａ、４０ｂの間には、上記した第１磁電変換素子２４及び第２磁電変換素子２６が搭載されている基板４２が上方から差し込まれて固定されている。

図２に示すように、基板４２には、上方から順番に、電源端子４４、接地端子４６、第１出力端子４８、及び第２出力端子５０が設けられている。電源端子４４及び接地端子４６は、それぞれ、基板４２の表面に形成された回路を介して第１磁電変換素子２４及び第２磁電変換素子２６に電気的に接続されている。第１出力端子４８は、基板４２の表面に形成された回路を介して第１磁電変換素子２４に電気的に接続されている。第２出力端子５０は、基板４２の表面に形成された回路を介して第２磁電変換素子２６に電気的に接続されている。

第１磁電変換素子２４において発生した電圧信号は、基板４２に搭載された増幅回路によって増幅された後に、第１出力端子４８に出力される。第２磁電変換素子２６において発生した電圧信号は、基板４２に搭載された増幅回路によって増幅された後に、第２出力端子５０に出力される。また、電源端子４４には、第１磁電変換素子２４及び第２磁電変換素子２６に対して電気を供給する図示しない電源配線が接続される。接地端子４６には、図示しない接地配線が接続される。

上記のように構成された電流センサ１０の作用効果について説明する。
本実施形態の電流センサ１０によれば、第１コア１６及び第２コア１８が一体化されているために、第１コア１６及び第２コア１８をケース３０に対して別々に組み付ける必要がない。したがって、第１コア１６及び第２コア１８をケース３０に対して組み付ける作業が容易になる。また２つの磁電変換素子（第１磁電変換素子２４及び第２磁電変換素子２６）を磁性体コア１２に同時に位置合わせ出来るので組立性が向上する。

本実施形態の電流センサ１０によれば、第１コア１６及び第２コア１８がほぼ同一形状に形成されており、かつ、それらが重ねられた状態で積層一体化されている。したがって、第１コア１６及び第２コア１８が異なる形状でかつ一体化されていない場合よりも、磁性体コア１２を小さくすることが可能である。その結果、電流センサ１０をより小型化することが可能である。

本実施形態の電流センサ１０によれば、互いに磁気特性の異なる磁性材料により形成された第１コア１６及び第２コア１８を備えている。そして、第１コア１６は、第２コア１８よりも透磁率の高い材料で形成されている。

この場合、電流値（被測定電流）がある基準値よりも小さい場合には、第１コア１６によって電流値を検出することが可能であり、電流値（被測定電流）がある基準値よりも大きい場合には、第２コア１８によって電流値を検出することが可能である。これにより、バスバー１４に流れる電流の大きさをより広範囲にかつ精密に検出することが可能になる。

すなわち、透磁率の高い材料で形成されている第１コア１６は、電流値が小さい（磁界強度が弱い）場合であっても生じる磁束が多いので、電流値の検出感度が高く、電流値の小さい領域での使用に適しているが、磁気飽和しやすい。一方、透磁率の低い材料で形成されている第２コア１８は、電流値の検出感度は第１コア１６よりも若干劣るものの、電流値が大きい場合であっても磁気飽和しにくいために、電流値の大きい領域での使用に適している。したがって、第１コア１６及び第２コア１８を電流値の大きさに応じて適切に使い分けることによって、バスバー１４に流れる電流の大きさをより広範囲にかつ精密に検出することが可能になる。

このような第１コア１６及び第２コア１８の使い分けを実現するために、例えば、電流値（被測定電流）がある基準値よりも小さい場合には、第１出力端子４８から出力される電圧信号のみを電流値を検出するための電圧信号として採用し、電流値（被測定電流）がある基準値よりも大きい場合には、第２出力端子５０から出力される電圧信号のみを電流値を検出するための電圧信号として採用することのできる制御回路を電流センサ１０に搭載してもよい。

本実施形態の電流センサ１０によれば、第１コア１６及び第２コア１８の間に非磁性材料からなる非磁性層２８が介在しているために、第１コア１６及び第２コア１８を磁気的に分離することが可能である。したがって、第１コア１６及び第２コア１８が磁束の漏れによって互いに干渉し合うことを防止することが可能であり、バスバー１４に流れる電流の大きさをより精密に検出することが可能となる。

＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
（１）上記実施形態では、電流センサ１０によってバスバー１４に流れる被測定電流の電流値を検出する例を示したが、バスバー１４以外の導体に流れる被測定電流の電流値を検出する場合であっても本発明を適用することが可能である。例えば、電線に流れる被測定電流の電流値を検出する場合であっても本発明を適用することが可能である。
（２）上記実施形態では、磁性体コア１２が略円形状に形成されている例を示したが、磁性体コア１２が略矩形状に形成されている場合であっても本発明を適用することが可能である。
（３）上記実施形態では、第１コア１６及び第２コア１８の間に非磁性層２８が介在している例を示したが、第１コア１６及び第２コア１８の間に非磁性層２８が介在していない場合であっても本発明を適用することが可能である。
（４）図５、図６に示すように、磁性体コア１２を固定するための固定用リブ３６は、１８０°離れたところだけに設けるのではなく、非対称の位置に設けてもよい。例えば、非対称の位置にリブ３６ａを設け、第１コア１６をリブ３６ａによって固定するとともに、第２コア１８をリブ３６によって固定してもよい。

１０・・・電流センサ
１２・・・磁性体コア
１４・・・バスバー（導体）
１６・・・第１コア
１８・・・第２コア
２０、２２・・・ギャップ
２４・・・第１磁電変換素子
２６・・・第２磁電変換素子
２８・・・非磁性層

Claims (3)

1. 磁性体コアに挿通された導体に流れる電流の大きさを、前記磁性体コアのギャップ中に配置された磁電変換素子によって検出する電流センサであって、
   前記磁性体コアは、互いに磁気特性の異なる磁性材料で形成された第１コア及び第２コアからなり、前記第１コア及び前記２コアにはそれぞれギャップが形成されており、前記第１コア及び前記第２コアに形成されたギャップ中にはそれぞれ磁電変換素子が配置されており、
   前記第１コア及び前記第２コアは、ほぼ同一形状に形成されており、かつ、それらのギャップの位置が一致するようにして重ねられた状態で一体化されていることを特徴とする電流センサ。
2. 前記第１コアは、前記第２コアよりも透磁率の高い材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記第１コア及び前記第２コアの間には、非磁性材料からなる非磁性層が介在していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電流センサ。

Images