JP6605007B2 - 電流検出器 - Google Patents

Description

本発明は、フラックスゲートタイプの電流検出器に関する。

この種の電流検出器に関して従来、磁気回路を構成する磁性体コアを折り曲げ加工した２つの板状部材で形成し、空隙（エアギャップ）を挟んだ両側から２つの屈曲部を向かい合わせに配置した電流センサの先行技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。２つの板状部材は、それぞれ略コの字形状に曲折された２つの板形状を一体に連ねた一対の略３の字状であり、略コの字形状に曲折された部分が連なる箇所に上記の屈曲部が形成されている。

特許第５９２６９１１号公報

上述した先行技術は、磁性体コアを２つの板状部材だけで構成できるため、構造が簡素で製造コストを抑えることができる点で有用である。
しかしながら、先行技術の電流センサは磁性体コアを厚み方向に曲げ加工して形成しているため、磁束の通過方向でみた断面積が小さく、磁束密度をあまり大きくできない。
また、先行技術の電流センサはプローブコイルを実装面とは逆側（下面を実装面とした場合の上側）に配置した構造としているが、磁性体コアの構造を変更した場合に当該配置が最適であるかは未知数である。

そこで本発明は、磁性体コアを通過する磁束密度を高くするとともに、磁性体コアの構造に応じてプローブコイルの配置を最適化する技術を提供するものである。

上記の課題を解決するため、本発明は以下の解決手段を採用する。

本発明は電流検出器を提供する。本発明の電流検出器は、複数の板状の磁性体コア部材を被検出電流の導通方向に積層した構造を採用する。また、本発明の電流検出器は、磁気回路の内側を貫通しつつプローブコイルの外側を取り囲んで延びる形態の一次導体を採用した。

磁性体コア部材は、被検出電流の導通により生じる磁界を収束させる矩形状の磁気回路を構成する。このとき磁性体コア部材は、磁気回路の一方の長辺に沿う位置では互いに対向して延びる板状の長脚部同士が厚み方向に重なり合い、他方の長辺に沿う位置では互いに対向して延びる板状の短脚部同士が先端間に空隙を開けて突き合わせとなる状態で被検出電流の導通方向（磁気回路の横断方向）に積層される。これにより、複数の磁性体コア部材を積層した状態では、磁気回路の横断方向でみた断面積を積層枚数に応じて大きくすることができるため、通過させる磁束密度を高くすることができる。また、一次導体がプローブコイルの外側を取り囲んだ配置であり、複数の磁性体コア部材を積層した構造に対して最適な配置とすることができる。

好ましくは、磁性体コア部材は、磁気回路の内側を除くプローブコイルの周囲では、一次導体とプローブコイルとの間を遮蔽することなくプローブコイルを開放している。これにより、複数の磁性体コア部材を積層した構造に対する配置の最適化をさらに向上することができる。

本発明によれば、磁性体コアを通過する磁束密度を高くし、磁性体コアの構造に応じてプローブコイルの配置を最適化することができる。

一実施形態の電流センサの構成を概略的に示す斜視図である。 一実施形態の電流センサの構成を概略的に示す正面図である。 磁性体コアの構成を示す分解斜視図である。 電流センサの縦断面図（図２中のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図）である。 図４に示される磁性体コアの斜視図である。 電流センサの回路構成を概略的に示すブロック図である。 比較例となる電流センサの構成を概略的に示す斜視図である。 本実施形態の電流センサで被検出電流がステップ状に変化した場合に得られる出力電圧の応答特性を示す波形図である。 比較例の電流センサで被検出電流がステップ状に変化した場合に得られる出力電圧の応答特性を示す波形図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。以下の実施形態では、電流検出器の一例としてフラックスゲートタイプ電流センサを挙げているが、本発明はこれに限られるものではない。

図１は、一実施形態の電流センサ１０の構成を概略的に示す斜視図である。また図２は、一実施形態の電流センサ１０の構成を概略的に示す正面図である。

〔磁気回路〕
電流センサ１０は、磁性体コア２０を備えており、磁性体コア２０は被検出電流の貫通方向（図１では水平方向）に対して垂直方向に沿う矩形状の磁気回路を構成している。磁性体コア２０は、複数の板状をなす磁性体コア部材２２，２３を重ね合わせて（被検出電流の貫通方向に積層して）構成されており、磁性体コア部材２２，２３は、互いに対をなして対称となる形状を有する。なお、磁性体コア部材２２，２３についてはさらに別の図面を参照しながら後述する。

〔二次巻線〕
電流センサ１０は、２つのボビンユニット６０，７０を備えており、各ボビンユニット６０，７０は、内側に磁性体コア２０（磁性体コア部材２２，２３）を収容するとともに、外側に二次巻線６０ａ，７０ａを保持している。図１，図２に示される状態では、一方のボビンユニット６０が上方に位置し、他方のボビンユニット７０が下方に位置している。図示されていないが、各ボビンユニット６０，７０は上記の二次巻線３０ａ，４０ａを有する他、複数のリード端子を有することができる。電流センサ１０は、これらリード端子を介して回路基板に実装したり、他の電子機器に接続したりすることができる。なお、ボビンユニット６０，７０の他にも図示しないボビンユニットが配置される構成であってもよい。

〔プローブコイル（フィールドプローブ）〕
図２に示されているように（図１では省略）、電流センサ１０は、プローブコイルユニット５０を備えており、プローブコイルユニット５０は、下方のボビンユニット７０の内側に収容されている。より詳しくは、２つの磁性体コア部材２２，２３がボビンユニット７０の内部で収容部（符号なし）を構成しており、その収容部内にプローブコイルユニット５０が配置された状態でボビンユニット７０の内側に収容されている。また、プローブコイルユニット５０は図示されていないプローブコイル（フィールドプローブ）を有しており、電流センサ１０の組み立て状態において、プローブコイルは磁気回路上（磁性体コア２０のエアギャップ内）に配置されている。プローブコイルユニット５０もまた、図示しない複数のリード端子を有することができ、これらリード端子を通じてプローブコイルに対する接続が可能となる。

電流センサ１０は、例えば樹脂製の筐体４０を備えており、上記の磁性体コア２０やボビンユニット６０，７０、プローブコイルユニット５０等は筐体４０の内側に収容されている。また、筐体４０は磁気回路の内側（磁性体コア２０の内周）に図示しない貫通路（又は貫通孔）を有しており、この貫通路にて被検出電流を貫通させることができる。

〔一次導体〕
電流センサ１０は、例えば２本の一次導体３０を備えている。これら一次導体３０は磁気回路の内側を貫通して配置されており、電流センサ１０の使用時において被検出電流は２本の一次導体３０を導通する。図１、図２に示される状態では、ちょうど磁気回路が直立した姿勢にあるため、２本の一次導体３０は磁気回路の内側を水平方向に貫通している。また、これら一次導体３０は、磁気回路を貫通した両側でいずれも一方向（図１，図２では下方向）に屈曲され、それぞれの両端部が同一方向に延びて全体として逆Ｕ字形状をなしている。このような一次導体３０は、被検出電流の導通に際し、磁気回路の内側を貫通しつつ、プローブコイルユニット５０の外側を取り囲んで延びる形態の導通経路を形成する。なお、２本の一次導体３０は筐体４０に支持された状態で磁気回路の内側に配置されており、筐体４０には上記の貫通路に通じた保持溝が形成されており、一次導体３０の折り曲げられた両端部は保持溝内にて保持されている。また、一次導体３０の数は２本に限定されるものではなく、１本でもよいし３本以上でもよい。

〔検出回路〕
プローブコイルユニット５０には回路基板（図示されていない）が接続されており、この回路基板上に信号出力ＩＣ（同じく図示されていない）が実装されている。電流センサ１０の使用時において、被検出電流の導通により一次導体３０の周囲（磁気回路）で磁界が発生すると、信号出力ＩＣは二次電流（帰還電流）を二次巻線６０ａ，７０ａに出力して逆方向の磁界を発生させ、プローブコイルの出力電流を消失させる制御を行う。このとき、信号出力ＩＣは二次電流をシャント抵抗で電圧信号に変換し、被検出電流に応じた検出信号として出力する。

図３は、磁性体コア２０の構成を示す分解斜視図である。上記のように、磁性体コア２０は複数の板状の磁性体コア部材２２，２３を重ね合わせて構成されている。この例では、磁性体コア部材２２，２３がそれぞれ所定枚数（例えば６枚）ずつ交互に重ね合わされている。

磁性体コア部材２２，２３は、例えばパーマロイ等の高透磁率材料を用いて構成されている。磁性体コア部材２２，２３は、矩形状をなす磁気回路の長手方向でみた中心線で対称な形状をなしており、磁気回路の両側の短辺に沿う位置では、磁性体コア部材２２，２３がそれぞれ短辺部２２ａ，２３ａを有している。また、磁気回路の一方（ここでは上方）の長辺に沿う位置では、磁性体コア部材２２，２３がそれぞれ長脚部２２ｂ，２３ｂを有しており、これら長脚部２２ｂ，２３ｂは短辺部２２ａ，２３ａの上端からそれぞれ長手方向に互いに対向して延び、長手方向のほぼ全域で交互に重なり合って配置されている。磁気回路の他方（ここでは下方）の長辺に沿う位置では、磁性体コア部材２２がそれぞれ上短脚部２２ｃ，２３ｃ及び下短脚部２２ｄ，２３ｄを有しており、このうち下短脚部２２ｄ，２３ｄは短辺部２２ａ，２３ａの下端からそれぞれ長手方向に互いに対向して延びている。上短脚部２２ｃ，２３ｃは、下短脚部２２ｄ，２３ｄから上方に間隔を開けた位置で短辺部２２ａ，２３ａからそれぞれ長手方向に対向して延びている。

ここで、上短脚部２２ｃ，２３ｃ及び下短脚部２２ｄ，２３ｄについては、これらが交互に重なり合うのではなく、長手方向に対向して付き合わせに配置されるものとなっている。したがって、磁性体コア２０の組み合わせ状態では、上短脚部２２ｃ，２３ｃ同士と下短脚部２２ｄ，２３ｄ同士は磁気回路上で向き合うようにして連なっている。このとき、上短脚部２２ｃ，２３ｃにはそれぞれ上当接部２２ｅ，２３ｅが形成されており、下短脚部２２ｄ，２３ｄにはそれぞれ下当接部２２ｆ，２３ｆ（図４参照）が形成されている。これら上当接部２２ｅ，２３ｅ及び下当接部２２ｆ，２３ｆは、組み合わせ状態で互いに接触するか、もしくはわずかな隙間（例えば０．１ｍｍ程度）を空けて近接する。これにより、上短脚部２２ｃ，２３ｃ及び下短脚部２２ｄ，２３ｄの間に空隙（エアギャップ）を設けつつ、上当接部２２ｅ，２３ｅ及び下当接部２２ｆ，２３ｆでの磁束密度を高めることができる。

図４は、電流センサ１０の縦断面図（図２中のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図）である。また図５は、図４に示される磁性体コア２２の斜視図である。上記のように磁性体コア２０の組み合わせ状態では、磁気回路の上方の長辺に沿う位置では磁性体コア部材２２，２３の長脚部２２ｂ，２３ｂ同士が重なり合って相互に密集するため、磁気回路は比較的大きい断面積を構成する。磁気回路の下方の長辺に沿う位置では上短脚部２２ｃ，２３ｃ同士及び下短脚部２２ｄ，２３ｄ同士が互いに付き合わせの状態となるが、上当接部２２ｅ，２３ｅ及び下当接部２２ｆ，２３ｆ以外では非接触となり、空隙（エアギャップ）を形成する。そして、上当接部２２ｅ，２３ｅと下当接部２２ｆ，２３ｆとの間に上記のプローブコイルユニット５０が配置されることで、空隙に漏れ出た磁束がプローブコイルユニット５０を通過する。

図４からも明らかなように、一次導体３０は磁気回路の内側を貫通しつつ、上記のようにプローブコイルユニット５０の外側を取り囲んで延びる形態の導通経路を形成している。また、磁性体コア部材２２，２３は、上短脚部２２ｃ，２３ｃ及び下短脚部２２ｄ，２３ｄ以外ではプローブコイルユニット５０を取り囲んでおらず、一次導体３０との間を遮蔽することなく周囲を開放した状態にある。これにより、磁性体コア部材２２，２３に対するプローブコイルユニット５０の配置を最適化することができる。

〔電流センサの回路構成〕
図６は、電流センサ１０の回路構成を概略的に示すブロック図である。プローブコイル５０ａは信号出力ＩＣ８０に接続されており、信号出力ＩＣ８０には図示しないパルス電源回路が内蔵されている。プローブコイル５０ａはフラックスゲートコア５０ｃに巻かれており、パルス電源回路から高周波矩形波電流がプローブコイル５０ａに供給されると、フラックスゲートコア５０ｃ内の磁束密度が周期的に飽和する。そのため、一次導体３０を流れる被検出電流Ｉｐによって磁気回路（磁性体コア２０）内に磁界が発生すると、プローブコイル５０ａに印加される電圧の波形には、磁気回路内に発生した磁界により歪みが生じることになる。

また、信号出力ＩＣ８０にはインタフェース回路８４が内蔵されており、インタフェース回路８４は、プローブコイル５０ａ間の電圧をＰＷＭ信号に変換する。インタフェース回路８４から出力されるＰＷＭ信号は、フラックスゲートコア５０ｃに磁界が発生していない状態（被検出電流Ｉｐの非導通状態）では所定のデューティ比（例えば５０％）のパルス信号となる。ＰＷＭ信号のデューティ比は、フラックスゲートコア５０ｃに加えられる磁界強度に応じて変化する。

また、信号出力ＩＣ８０にはフィルタ８６及びドライバ回路８８が内蔵されており、フィルタ８６は、インタフェース回路８４からのＰＷＭ信号をアナログ変換し、変換した出力電圧をドライバ回路８８に出力する。ドライバ回路８８には、２つの端子Ｉｃ１，Ｉｃ２を通じて二次巻線６０ａ，７０ａが接続されている。ドライバ回路８８では、フィルタ８６からの出力電圧と所定の基準電圧Ｖｒｅｆとの差分を検出し、その差分に基づく大きさの二次電流を二次巻線６０ａ，７０ａに出力する。二次電流によってフィードバック磁界が発生することにより、一次導体３０を導通する被検出電流Ｉｐによって誘導された磁気回路内の磁界が打ち消され、プローブコイル５０ａの出力電流を消失させる制御が行われる。

電流センサ１０は、二次電流をシャント抵抗Ｒｓで検出した出力電圧Ｖｏｕｔを取り出すことにより、被検出電流Ｉｐに応じた検出信号を出力する。なお、二次巻線６０ａ，７０ａに流れる二次電流は、上記の負帰還によって周期的に変化するが、信号出力ＩＣ８０内で差分増幅回路８９を用いた信号処理により、出力電圧Ｖｏｕｔの波形は被検出電流Ｉｐの波形と一致するため、実質的に被検出電流Ｉｐの大きさと相関する値となる。

〔優位性の検証〕
以上のような本実施形態の電流センサ１０の優位性について、比較例との対比をもって検証する。

〔比較例〕
図７は、比較例となる電流センサ２００の構成を概略的に示す斜視図である。比較例の電流センサ２００は、一次導体３０がプローブコイルユニット５０とは逆向きに屈曲されている点、言い換えれば、図１に示す電流センサ１０とは磁性体コア２０及びその付属物を全体的に磁気回路の周方向に半回転させた位置関係としている点で本実施形態とは異なっている。その他の構成については本実施形態と共通であり、そのような共通する構成については図示を含めて同じ参照符号を付し、重複した説明を省略する。

〔ステップ応答特性〕
図８は、本実施形態の電流センサ１０で被検出電流Ｉｐがステップ状に変化した場合に得られる出力電圧Ｖｏｕｔの応答特性を示す波形図である。これに対する図９は、比較例の電流センサ２００で同じく被検出電流Ｉｐがステップ状に変化した場合に得られる出力電圧Ｖｏｕｔの応答特性を示す波形図である。以下、比較例と対比しつつ本実施形態実施形態の優位性について具体的に説明する。

〔本実施形態〕
図８中（Ａ）：ある時刻ｔ１において、被検出電流Ｉｐの波形がステップ状に変化（上昇）している。このようなステップ状の波形変化は、例えば、電流センサ１０を適用されている対象機器が電源投入により起動（あるいはＰＷＭ電流を出力）したことにより、被検出電流Ｉｐが急峻に立ち上がった場合等に起こり得る。
〔比較例〕
図９中（Ａ）：比較例においても、本実施形態と同じ条件で被検出電流Ｉｐの波形がステップ状に変化する。

〔本実施形態〕
図８中（Ｂ）：本実施形態の場合、時刻ｔ１から電流センサ１０の出力電圧Ｖｏｕｔの波形もステップ状に応答する。なお、時刻ｔ１の直後においては、応答波形に一時的な高下は見られるものの、総じて安定的なステップ応答波形が現れていることが確認できる。
〔比較例〕
図９中（Ｂ）：対する比較例の方は、時刻ｔ１から出力電圧Ｖｏｕｔの波形が変化するも、本実施形態のようなステップ状の応答特性は示しておらず、激しく高下した波形の乱れが現れている。

〔Ｉｃ１−Ｉｃ２端子間電圧の観測〕
本発明の発明者は、図６に示す回路構成においては、Ｉｃ１−Ｉｃ２端子間電圧の変化が出力電圧Ｖｏｕｔの変化に関係していることに着目し、以下の検証を行っている。

〔本実施形態〕
図８中（Ｃ）：すなわち、本実施形態では、時刻ｔ１で被検出電流Ｉｐがステップ状に変化すると、これに追随してＩｃ１−Ｉｃ２端子間電圧の波形は短時間で立ち上がり、その後も時刻ｔ２までＩｃ１−Ｉｃ２端子間電圧が長い期間Ｔｆにわたり維持されている。また、時刻ｔ２以後もＩｃ１−Ｉｃ２端子間電圧の変化は緩やかである。
〔比較例〕
図９中（Ｃ）：対する比較例においては、時刻ｔ１で被検出電流Ｉｐが上昇しているのに反してＩｃ１−Ｉｃ２端子間電圧が一旦は下降に転じ、そこから時間をかけて立ち上がってはいるものの、Ｉｃ１−Ｉｃ２端子間電圧を高いレベルに維持できている期間Ｔｆが本実施形態よりも極端に短いことが分かる。また、時刻ｔ２以降でもＩｃ１−Ｉｃ２端子間電圧の変化は本実施形態に比較すると急激である。

〔本実施形態〕
図８中（Ａ），（Ｂ）：その結果、本実施形態においては、被検出電流Ｉｐがステップ状に変化している期間全体にわたり、概ね出力電圧Ｖｏｕｔが良好なステップ応答特性を示していることが分かる。
〔比較例〕
図９中（Ａ），（Ｂ）：これに対する比較例では、被検出電流Ｉｐがステップ状に変化した直後で出力電圧Ｖｏｕｔの波形に激しい乱れが生じており、全体として好ましくないステップ応答特性を示すことが分かる。

以上のように、本実施形態によれば、以下の利点がある。
（１）磁性体コア２０を複数の板状の磁性体コア部材２２，２３を積層した構成としているため、板材料を曲げた形態に比較して断面積を大きくし、磁束密度を高めることができる。
（２）また、一次導体３０がプローブコイルユニット５０を巻き込む配置としているため、複数の板状の磁性体コア部材２２，２３を積層した構造に対するプローブコイルユニット５０の配置を最適化し、出力電圧Ｖｏｕｔの応答特性を改善することができる。
（３）加えて、磁気回路の内側以外の領域では磁性体コア部材２２，２３がプローブコイルユニット５０と一次導体３０との間を遮蔽することなく開放しているため、磁性体コア部材２２，２３に対するプローブコイル５０ａの配置の最適化をさらに向上して出力電圧Ｖｏｕｔの応答特性を一層改善することができる。
（４）特に、被検出電流Ｉｐがステップ状に変化した場合でも、良好で安定的な出力電圧Ｖｏｕｔの応答特性を得ることができる。

本発明は上述した実施形態に制約されることなく、種々に変形して実施可能である。例えば、磁性体コア部材２２，２３は矩形状の磁気回路を構成する形状となっているが、その他の形状で磁気回路を構成する形状であってもよい。

また、電流センサ１０はフラックスゲートタイプの電流検出器だけでなく、ホール素子を用いた磁気平衡タイプの電流検出器として適用してもよい。

その他、実施形態において図示とともに挙げた構造はあくまで好ましい一例であり、基本的な構造に各種の要素を付加し、あるいは一部を置換しても本発明を好適に実施可能であることはいうまでもない。

１０ 電流センサ
２０ 磁性体コア
２２，２３ 磁性体コア部材
２２ｂ，２３ｂ 長脚部
２２ｃ，２３ｃ 上短脚部
２２ｄ，２３ｄ 下短脚部
３０ 一次導体
４０ 筐体
５０ プローブコイルユニット
５０ａ プローブコイル
６０，７０ ボビンユニット
６０ａ，７０ａ 二次巻線

Claims (2)

1. 被検出電流の導通により生じる磁界を収束させる矩形状の磁気回路を構成し、前記磁気回路の一方の長辺に沿う位置では互いに対向して延びる板状の長脚部同士が厚み方向に重なり合い、他方の長辺に沿う位置では互いに対向して延びる板状の短脚部同士が先端間に空隙を開けて突き合わせとなる状態で被検出電流の導通方向に積層された複数の板状の磁性体コア部材と、
   前記磁気回路上で他方の長辺に沿う位置に配置されたプローブコイルと、
   被検出電流の導通により生じる磁界とは逆向きの磁界を前記磁気回路に発生させる二次巻線と、
   前記プローブコイルの出力電流を消失させるのに必要な前記二次巻線の二次電流に基づいて、被検出電流に応じた検出信号を出力する検出回路と、
   被検出電流の導通に際し、前記磁気回路の内側を貫通しつつ前記プローブコイルの外側を取り囲んで延びる形態の導通経路を形成する一次導体とを備え、
   前記複数の板状の磁性体コア部材は、
   前記磁気回路の一方の長辺に沿う位置の厚みに比較して他方の長辺に沿う位置の厚みが薄く形成されており、
   前記他方の長辺に沿う位置で前記磁気回路に囲まれる部分を除く前記プローブコイルの周囲は、全域にわたって前記一次導体との間を磁気的に遮蔽されることなく開放されていることを特徴とする電流検出器。
2. 請求項１に記載の電流検出器において、
   前記磁性体コア部材は、
   前記磁気回路の内側を除く前記プローブコイルの周囲では、前記一次導体と前記プローブコイルとの間を遮蔽することなく前記プローブコイルを開放していることを特徴とする電流検出器。

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