JPH01113674A - 電流検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はホール素子を用いた電流検出器に関する。

【従来の技術］ 第１５図はホール素子を用いた電流検出器の基本的な構
成を示す。電流検出器の原理は電流の流れる導体１１を
周回する強磁性体コア２１の一部に形成された空隙２２
に発生する磁界の磁束密度をホール素子２３で検出する
ことにより、磁束密度と比例関係にある電流を測定する
。電流検出器に用いられるホール素子は、１ｎＡｓｂあ
るいはＩｎまたは八ｓを含む化合物半導体薄膜からなる
ホール素子等、種々のものがある。ホール素子の感度は
温度依存性があるため、電流検出器の精度は、温度範囲
が広い場合には悪化する。従って、高精度の電流検出器
では、温度補償回路を使用して、ホール素子の感度の温
度依存性に由来する誤差を回避することが一般になされ
ている。

［発明が解決しようとする問題点］ 温度補償回路によるホール素子の温度補償が正確に行わ
れるためには、ホール素子の正確な温度を温度センサー
によって検出することが必要である。しかし、第１６図
に例示される電流検出器のように、温度センサー２６を
ホール素子２３の近傍に配置する構造では空間の温度が
検出され、ホール素子の正確な温度は検出されない、な
お第１６図（ａ）は電流検出器の上面図、同図（ｂ）は
側面図である。基板２５上には、空隙２２内にホール素
子２３が挿入されている強磁性体コア２１、駆動回路２
４および温度センサー２６が設けられている。２９は外
部接続端子である。

そこで、これを解決するには、温度センサーをホール素
子に密着させればよいが、この方法は次の理由から問題
がある。

（Ａ）　　ホール素子が挿入されている強磁性体コアの
空隙は微小であり、温度センサーをホール素子と共に空
陣内へ置くと、狭い所からリードが多数用てきて、ケー
ブル配線との多線接続が必要となり、接触不良や断線の
危険性から長期安定性および信頼性に欠りる。

（Ｉｔ）　　温度センサーを微小な空隙に挿入すると電
流検出器の機能を下げるばかりでなく、製作工程が複雑
化し、安価かつ量産可能な高性能の電流検出器を作るの
が難しい。

このため、温度センサーとホール素子とを離すと両者に
温度差が生じ、ホール素子の温度を正確に検出すること
が困難になり、温度補償が正しく機能しないという問題
が起る。従来のホール素子を用いた電流検出器は電流測
定精度が悪く、しかも、工業的な量産には大きな支障と
なっていたが、ここに−因する。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は上述した問題点を解決するためになされたもの
であり、閉磁路をなす強磁性体コアと、　−強磁性体コ
アの一部に形成された微小な空隙に挿入されたホール素
子と、温度補償回路を含む駆動回路とが、一体止された
構造をもつ電流検出器において、温度検出素子とホール
素子とが熱伝導体を介して結合されていることを特徴と
する。

即ち、本発明では、第１図に示す主要構造のように、温
度センサーＴＳとホール素子ＨＥが熱伝導性の良い材料
ＴＣで結合されて、温度差の発生を防止する構造を有す
る。さらに、電流検出器の駆動回路ＤＯと強磁性体コア
ＦＣを含むホール素子１１Ｅおよび温度センサーＴＳが
一体化されて、多数のリードとケーブル配線との接続の
必要がない。

これらにより電流検出器の精度と信頼性を向上し、さら
に小型化と量産性の向上を図ることができる。

温度センサーとホール素子の結合に使われる熱伝導権の
良い材料は、好ましくは非磁性の金属やセラミックス、
ガラスセラミックス、あるいは高熱伝導性樹脂等がある
。中でも、より好ましくは金属ではアルミニウムまたは
銅、次いで、セラミックスではアルミナまたは窒化アル
ミニウム、高強度ガラスセラミックス、高熱伝導性樹脂
では高熱伝導性充填剤を含有するエポキシ樹脂、アクリ
ル樹脂等、熱伝導率が１．ＯＷ／ｍＫ以上のものである
。

次に、温度センサーとホール素子を結合する熱伝導体に
ついて説明する。

熱伝導体の構造は多種多様であり、以下にその代表的な
ものを例示するが、本発明はそれらのみに限定されるも
のではない、 図面を参照して熱伝導体の構造を説明する。

第２図に、熱伝導体が板状の構造の場合を示すが、同図
（ａｌ）　、（ａ２）はそれぞれポール素子１１Ｅと強
磁性体コアＦＣとの間に熱伝導体ＴＣを挟んで温度セン
サーＴＳと結合する構造の上面図および側面図、同図（
ｂｌ）　、　（ｂ２）はそれぞれホール素子１１Ｅの端
面に熱伝導体ＴＣを接して温度センサー１’Ｓと結合す
る構造の上面図および側面図、同図（ｃｌ）　、　（ｃ
２）はそれぞれ強磁性体コアＦＣの平面方向からホール
素子１１Ｈの端面に熱伝導体ＴＣが接して温度センサー
ＴＳと結合する構造の上面図および側面図で、前述した
材料のいずれをも使用することができる。

次に、第３図に熱伝導体が塊状の構造の場合を示す、同
図（ａｌ）　、　（ａ２）はそれぞれホール素子＋１Ｅ
と温度センサーＴＳとを包むように塊状の熱伝導体ＴＣ
を形成して結合する構造の上面図および側面図、同図（
ｂｌ）　、　（ｂ２）はそれぞれ強磁性体コアＦＣ，ホ
ール素子＋１Ｅおよび温度センサーＴＳの全体をモール
ドして結合する構造の上面図および側面図、同図（ｃｌ
）　、　（ｃ２）はそれぞれホール素子＋１Ｅと温度セ
ンサーＴＳとの間に塊状の熱伝導体ＴＣを形成して結合
する構造の上面図および側面図で、前述した材料のうち
高熱伝導性樹脂に適している。

上記の構造は熱伝導体ＴＣが直接ホール素子ＨＥに接す
る場合であるが、第４図は強磁性体コアＦＣが熱伝導体
ＴＣを兼ねて介在する構造を示す、同図（ａｌ）　、　
（ａ２）は竿れぞれ強磁性体コアＦＣの外周に熱伝導体
ＴＣが接する構造の上面図および側面図、同図（ｂｌ）
　、　（ｂ２）はそれぞれ強磁性体コアＦＣに温度セン
サーＴＳを密着させる構造の上面図および側面図である
。

次に、電流検出器の駆動回路Ｄｌｌ、強磁性体コアＦＣ
を含むホール素子＋１Ｅおよび温度センサーＴＳを一体
化する構造、材質および各構成体の相互関係を説明する
。

まず、熱伝導体ＴＣを形成してホール素子１１Ｅと温度
センサーＴＳを結合する第１図に示すような構造の場合
、基板ＢＰの材質は金属、セラミックスまたは強化樹脂
が好ましい。強磁性体コアＦＣが熱伝導体ＴＣを兼ねる
構造（後に第１２図、第１４図に示す）では１．基板［
ｌＰの材質は金属、セラミックスまたは強化樹脂が好ま
しい、基板ＢＰが熱伝導体ＴＣを兼ねる構造（後に第９
図に示す）では、基板８１’の材質は金属またはセラミ
ックスが好ましい。

次に、第３図（ａｌ）　、　（ａ２）のような高熱伝導
性樹脂でホール素子＋１Ｅと温度センサーＴＳを局部的
にモールドして熱伝導体ＴＣを形成する構造、あるいは
高熱伝導性樹脂により全体をモールドして、一体止と熱
伝導体ＴＣを兼ねる第３図（ｂｌ）　、　（ｂ２）に示
すような構造があり、ともに量産性に優れる。

さらに、強磁性体コアＦＣ上に他の構成体を形成する構
造は、第３図（ｃｌ）　、　（ｃ２）に示すような熱伝
導体ＴＣを形成してホール素子ＨＥと温度センサーＴＳ
。

を結合する構造、あるいは第４図（ｂｌ）　、　（ｂ２
）に示すような強磁性体コアＦＣが熱伝導体ＴＣを兼ね
る構造があり、単純な構造の電流検出器の実現が可能で
実用価値が高い。

電流検出器に用いる温度センサーは、熱伝導体を上記の
ような材料、および構造で形成するならば、一般に用い
られているセンサーの何れでもよいが、温度係数の大き
い性質を持つ素子が好ましい。ここで要求される温度係
数とは、抵抗、キャパシタンス、あるいはりアクタンス
等のインピーダンス、および、接触電位、あるいは、ホ
ール電圧等の起電力などの温度に関する変化率である。

そのような温度センサーの例としては、金属または半導
体の薄膜抵抗素子、可変容量または可変誘導素子、およ
び、熱電対、ホール素子等がある。

そのうちＩｎＳｂ薄膜抵抗、サーミスタ等は特に好まし
い。また、薄膜型！　ｎｓｂホール素子は入力抵抗の温
度係数が大きく最も好ましい例である。

［作　用］ 本発明の電流検出器は、温度センサーとホール素子とが
熱伝導体を介して結合され、かつ、電流検出器の各要素
が一体化された構造を持つが、その効果について説明す
る。

まず、第５図および第６図を参照して熱伝導体を介して
温度センサーとホール素子が結合されたことによる効果
を説明する。

ホール素子、温度センサーおよび強磁性体コアの温度を
各々Ｔ、、ＴｓおよびＴ２と記す。時刻ｔ０で電流検出
器の環境温度ＴＡが階段状にＴｏからＴ、に、また、時
刻ｔ、で四柱にＴ１からＴ。に変化すると、各温度は熱
伝導体が無い場合は第５図に示すようになり、熱伝導体
で結合されている場合は第６図に示すようになる。即ち
、熱伝導体が無い従来の構造の場合は、温度センサーの
温度Ｔｓが環境温度ＴＡに追従して変化するため、温度
センサーの温度ｒｓとホール素子の温度Ｔ□の温度差Δ
Ｔは過渡的に大きくなり、かつ両者が一定の誤差範囲で
温度平衡に達する時間は非常に大きい。一方、熱伝導体
を介して両者が結合されている本発明の場合は、温度セ
ンサーの温度ＴＳがホール素子の温度ＴＨに追従して変
化するためΔＴは過渡的に大きくならず、かつ、両者が
一定の誤差範囲で温度平衡に達する時問は短い。従って
、環境温度が変化してもＴＬ流検出器の温度補償は常時
正しく機能するので精度の良い電流測定が可能である。

次に第７図および第８図を参照して電流検出器の各要素
が一体化された構造を持つことによる効果に２いて説明
する。第７図は電流検出器ＣＳが一体化されておらず、
駆動回路Ｄｕが分離しているため多芯ケーブルｌｌ１ｃ
の芯線数が非常に増大することを示している。第８図は
本発明の一体化構造の場合、多芯ケーブルｍｃの芯線数
は半分以下に低減することを示している。即ち、通常、
ホール素子ＨＥと温度センサー’ＴＳのリード線は最低
６本あるが、駆動回路の出力は３本または２木となり、
多数の電流検出器ＣＳを使用する場合、駆動回路ＤＯが
電流検出器Ｃ５に一体化されていることによる芯線数の
低減効果は非常に大きくなり、多線接続時に問題となる
接触不良や断線、あるいは混信の危険性を回避でき、電
流測定システムとして見た場合に、長期安定性と信頼性
が大きく向上する。

［実施例］ 第１図は本発明の電流検出器の主要構造を示す。即ち、
被測定電流の流れる導体を周回して閉磁路をなす強磁性
体コアＦＣと、強磁性体コアＦＣの一部に形成された空
隙に挿入されたホール素子＋１２と、温度補償回路Ｔｅ
ｍｐ、を含む駆動回路［１１とが一体化されてなる電流
検出器において、温度検出素子ＴＳとホール素子１１Ｅ
とが、熱伝導体ＴＣを介して結合されている。なお、駆
動回路ＤＩは制御電源Ｖｃ、増幅器へｍｐおよび温度補
償回路Ｔｅｍｐ　、からなる。

第９図は本発明の第１の実施例を示す、同図（ａ）は上
面図、同図（ｂ）は側面図である。本実施例は被測定電
流の流れる導体１１を周回する強磁性体コア２１が比透
磁率ｕ　ｒ　＝　４０００．外径２０ｎ＋ｍ、内径１０
ｍｍ、厚さ５　ｍｍのフェライトコアからなり、間隔１
ｍｍの空隙２２に薄膜型１ｎ八ｓホール素子２３が挿入
され、温度補償回路を含む駆動回路２４と共に厚さ１ｍ
ｍのガラス繊維強化エポキシ樹脂製の基板２５上に配設
されて一体化されている。

薄膜型１ｎＳｂホール素子からなる温度センサー２６は
フェライトコア２１と基板２５とに挟まれて固定されて
いる厚さ２００μｍの銅板２７にエポキシ系接着剤を用
いて固定されている。

次に、第１の実施例による温度補償結果を説明する。上
記実施例１の電流検出器と熱伝導体を持たない第１６図
に示した参照品を一緒に恒温槽に納めて、温度２５℃で
各電流検出器の温度が安定するまで放置した後、階段状
に１０℃の変化を与えた場合の温度センサーとホール素
子の温度変化を測定した。第１６図に示した電流検出器
のように熱伝導体が無い従来法では、第１θ図に示すよ
うに温度センサーとホール素子の温度差ΔＴは極大値で
７℃となり、かつ温度平衡に要する時間Ｌ２は２０ａ＋
ｉｎであるため、変化が連続する環境では、電流検出器
の温度補償はほとんど正常に機能しない。

−力木発明の熱伝導体を持つ場合の結果は第１１図に示
すように、ΔＴが極大値でも０．３℃となり、相対誤差
は室温付近では０．１％程度であって、総合的に１％以
内の測定精度の電流検出器が可能である。

第１２図（ａ）　、　（ｂ）に本発明の第２の実施例の
上面図および側面図を示す。ここで、フェライトコア２
１、ポール素子２３、基板２５、駆動回路２４等は前述
した第１の実施例と同じであるから説明を省略する。本
実施例では、フェライトコア２１と温度センサー２６と
を熱伝導性の良い樹脂２８で局部的に結合している。樹
脂は、ダレイス社製、２液系高熱伝導性エポキシ樹脂、
スタイキャスト２８５ＯＫＴ型（主剤）およびキャタリ
スト９型（硬化剤）を使用している。この樹脂の熱伝導
率は４．３１Ｗ／＋ｎにである。樹脂２８は駆動回路２
４と接してもよく、また離れていてもよい。

第１３図（ａ）　、　（ｂ）に本発明の第３の実施例の
上面図および側面図を示す。ここで、フェライトコア２
１、ホール素子２３、基板２５、駆動回路２４等は第１
の実施例と同じであるから説明を省略する。本実施例で
は、電流検出器の全体を熱伝導性の良い樹脂２８でモー
ルドしている。樹脂２８は前述した第２の実施例と同じ
ものを使用し、別途製作された型枠を使用して、キャス
ティング法によりモールドしている。

第１４図（ａ）　、　（ｂ）　に木発明の第４の実施例
の上面図および側面図を示す。ここで、フェライトコア
２１、ホール素子２３、基板２５、駆動回路２４等は第
１の実施例と同じであるから説明を省略する。本実施例
では、温度センサー２６をフェライトコア２１に接着剤
を用いて直接取付けている。

なお、第１６図に示した従来構造の電流検出器は、本発
明によって性能が向上する効果を評価する際に、比較の
ために製作した参照品で、使用している部品の規格・寸
法等は前記実施例１〜４と同じである。゛ ［発明の効果］ 以上説明したように木発明によれば、電流検出器を使用
する温度範囲が広く、かつ急速に温度変化が起った場合
でも測定精度が高く、ケーブル接続の接触不良や断線、
混信等の危険性の低い、長期安定性と偏傾性の高い、安
価かつ量産し易い電流検出器を実現することが可能であ
る。

また、温度センサーの型式、および形状は自由てあり、
コストの低減や、−休止による小型化の効果もある。

さらに、第３の実施例のように熱伝導体を形成する樹脂
が保護層をなし、耐環境性の向上を得ることもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の主要構造を示す図、 第２図、第３図および第４図は熱伝導体の構造を説明す
る図、 第５図は従来型の電流検出器の温度変化を示す図、 第６図は木発明の電流検出器の温度変化を示す図、 第７図は従来型の電流検出器のケーブル接続を説明する
図、 第８図は本発明の電流検出器のケーブル接続を説明する
図、 第９図、第１２図、第１３図および第１４図は、それぞ
れ木発明の実施例を示す図、 第１０図および第１１図はそれぞれ従来構造および本発
明による試作電流検出器の各部の温度変化の結果を示す
図、 第１５図は電流検出器の基本的な構成を示す図、第１６
図は従来構造の電流検出器を示す図である。 １１・・・導体、 ２１、ＦＣ・・・強磁性体コア、 ２２・・・空隙、 ２３、ＩＩＥ・・・ホール素子、 ２４、Ｄｔｌ・・・駆動回路、 ２５、ＢＰ・・・基板、 ２Ｂ、ＴＳ・・・温度センサー、 ２７・・・銅板、 ２８・・・樹脂、 ２９・・・外部接続端子。 ＦＣ残ボ社休体ァ トし 本絶明の支（楕止を示す因 第１図 ＴＳ ％、Ｕ大ｋ　、）！ｉｎイネ、フＴｆづセ（イ大、き１
６ト、を草りろ才専鱈ヒを示す図イ芝米型オ史出＊　／
）４宸変イ巳を不す同第５図 ネｉ７５．明の才大出ｇのン乙貞変イｂを氷す図第６　
図 す足１（、型書乞ンＩＣＪ才に出（（０ケーフーンレか
針子（５４欠尾を勺（１−１−図第７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 被測定電流の流れる導体を周回して閉磁路をなす強磁性
   体コアと、該強磁性体コアの一部に形成された空隙に挿
   入されたホール素子と、温度補償回路を含む駆動回路と
   が一体化されてなる電流検出器において、温度検出素子
   とホール素子とが熱伝導体を介して結合されていること
   を特徴とする電流検出器。