JP2014106100A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】磁性体コアのギャップ部におけるコア径方向の磁束密度分布を任意に調整することで、感磁素子の配置自由度を向上させることができる電流センサを提供する。
【解決手段】電流センサ１は、ギャップ部４を有する略円環状の磁性体コア３と、ギャップ部４に配置され、導体２に流れる電流によりギャップ部４に発生する磁界を検出して電圧信号に変換する感磁素子５とを備えている。磁性体コア３の内周３ａ及び外周３ｂは、ギャップ部４を除いて長円形状をなしている。磁性体コア３は、基板６の導体貫通穴７の中心位置Ｇからギャップ部４までの距離Ｌａを、導体貫通穴７の中心位置Ｇから磁性体コア３における導体貫通穴７を挟んでギャップ部４の反対側の部分までの距離Ｌｂよりも長くする延伸部３ｅを有している。感磁素子５は、磁性体コア３のギャップ部４と対向する端面における幅Ｗ方向の中央部に対応する位置に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、導体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。

従来の電流センサとしては、例えば特許文献１に記載されているように、環状磁性体コアに設けたギャップ内に感磁素子を配置し、環状磁性体コアを貫通する導体に流れる電流によってギャップ内に発生した磁界を感磁素子により電圧に変換して出力することで、導体に流れる電流を検出するものが知られている。

特開２０１１−２２０９８３号公報

上記従来技術のような電流センサは、インバータ等の電気機器で使用される。そして、電気機器が小型化されるに伴い、電流センサも小型化されることが望まれている。電流センサを小型化するためには、環状磁性体コアを小さくする必要があるが、環状磁性体コアが小さくなると磁気飽和しやすくなるという問題が発生する。この対策の一つとして、環状磁性体コアのギャップ間隔を広げることで磁路の磁気抵抗を増加させるというものがある。ギャップ間隔が広くなると、磁路の磁気抵抗が上がり、被測定電流により発生するギャップ内の磁束密度が減少する。しかし、環状磁性体コアのギャップ間隔を広げすぎると、ギャップ付近に発生する漏れ磁束によってギャップにおける環状磁性体コアの径方向（コア径方向）の磁束密度分布に偏りが発生する。そのような磁束密度分布の偏りは、ギャップ間隔が広くなるほど顕著であり、感磁素子の配置に制限を与える。また、環状磁性体コアのギャップ部において磁束密度がピークとなる位置に感磁素子を配置することで、精度の良い電流センサを得ることができるが、一般的な円環状の環状磁性体コアでは磁束密度のピークがコア径方向の内側に寄ってしまう。このため、感磁素子を磁束密度がピークとなる位置に配置しようとすると、感磁素子が電流母線や基板に設けられた貫通孔等と干渉する虞がある。

本発明の目的は、磁性体コアのギャップ部におけるコア径方向の磁束密度分布を任意に調整することで、感磁素子の配置自由度を向上させることができる電流センサを提供することである。

本発明は、導体に流れる電流を検出する電流センサにおいて、導体が通る導体通過領域を包囲するように設けられ、ギャップ部を有する略環状の磁性体コアと、ギャップ部に配置され、ギャップ部に発生する磁界を検出して電気信号に変換する感磁素子とを備え、磁性体コアの内周は、ギャップ部を除いて長円形状をなしており、磁性体コアは、導体通過領域の中心位置からギャップ部までの距離を、導体通過領域の中心位置から磁性体コアにおけるギャップ部の反対側の部分までの距離よりも長くする延伸部を有することを特徴とするものである。なお、ここでいう長円形状は、一部が直線状となっているものだけでなく、全体が曲線状となっている楕円形状も含んでいる。

このように本発明の電流センサにおいては、磁性体コアの内周形状をギャップ部を除いて長円形状とし、磁性体コアに、導体通過領域の中心位置からギャップ部までの距離を導体通過領域の中心位置から磁性体コアにおけるギャップ部の反対側の部位までの距離よりも長くする延伸部を設けることにより、磁性体コアを通る磁路がギャップ部近傍においてコア径方向外側（導体通過領域の反対側）にシフトするようになる。このため、ギャップ部におけるコア径方向の磁束密度分布が変化し、磁束密度分布のピークがコア径方向外側に移動するようになる。このようにギャップ部におけるコア径方向の磁束密度分布を任意に調整することができる。このとき、感磁素子の配置位置は、ギャップ部におけるコア径方向の磁束密度分布に応じて適宜決定すれば良い。例えば、ギャップ部におけるコア径方向の磁束密度分布のピーク付近に感磁素子を配置することで、精度の良い電流センサを得ることができるが、従来では、ギャップ部におけるコア径方向の磁束密度分布のピークがコアの内側に寄っていたため、磁束密度分布のピーク付近に感磁素子を配置しようとすると、感磁素子が導体や導体通過領域である基板の貫通孔に干渉する虞があった。しかしながら、本発明の電流センサにおいては、磁束密度分布のピークをコア径方向外側に移動させているので、感磁素子を導体や導体通過領域である基板の貫通孔に干渉させること無く、精度の良い電流センサを得ることができる。

好ましくは、磁性体コアの外周は、ギャップ部を除いて磁性体コアの内周に対応して長円形状をなしている。この場合には、磁性体コアの幅（径方向長さ）が全体的に等しくなる。従って、例えばプレス抜き加工等による磁性体コアの作製が行いやすくなる。また、磁性体コアを必要以上に大きくしなくて済む。

また、好ましくは、延伸部は、ギャップ部における磁性体コアの径方向の磁束密度分布のピークがギャップ部と対向する磁性体コアの端面の幅方向中央部に対応する位置となる長さを有している。この場合には、感磁素子の配置位置の調整が更に容易となる。例えば、ギャップ部における磁性体コアの端面の幅方向中央部に対応する位置に感磁素子を配置することで、精度の良い電流センサを得ることができる。

さらに、好ましくは、延伸部は、ギャップ部に対向する磁性体コアの端面を含む第１部分と磁性体コアにおけるギャップ部の反対側に設けられた半円形状の第２部分との間に形成されている。この場合には、磁性体コア全体を大型化すること無く、ギャップ部における磁性体コアの径方向の磁束密度分布のピークを任意に調整することができる。

本発明によれば、磁性体コアのギャップ部におけるコア径方向の磁束密度分布を任意に調整することで、感磁素子の配置自由度を向上させることができる。これにより、例えば磁性体コアのギャップ部における磁束密度分布のピークをギャップ部の中心部にシフトさせた場合には、ギャップ部の中心部に感磁素子を配置することで、電流センサの検出感度のばらつきを低減することが可能となる。

本発明に係る電流センサの第１実施形態を示す平面図である。 比較例として、従来の電流センサの一つを示す平面図である。 図１及び図２に示した磁性体コアのギャップ部における磁束密度分布を示すグラフである。 本発明に係る電流センサの第２実施形態を示す平面図である。 本発明に係る電流センサの第３実施形態を示す平面図である。

以下、本発明に係る電流センサの好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明に係る電流センサの第１実施形態を示す平面図である。同図において、本実施形態の電流センサ１は、例えば電気自動車やハイブリッド車等の車両に搭載されるインバータで使用され、導体２に流れる電流を検出するものである。

電流センサ１は、略円環状の磁性体コア３を備えている。磁性体コア３には、ギャップ部４が設けられている。磁性体コア３は、例えば鉄または鉄合金（電磁鋼板等）で形成されている。磁性体コア３は、例えばプレス抜き加工等により作製される。

また、電流センサ１は、磁性体コア３のギャップ部４に配置された感磁素子５を備えている。感磁素子５は、導体２に流れる電流によりギャップ部４に発生する磁界（磁束密度）を検出し、その磁界を導体２に流れる電流の値に比例した電圧信号に変換して出力する。

磁性体コア３及び感磁素子５は、基板６に固定されている。基板６には、導体２を貫通させる円形状の導体貫通穴（導体通過領域）７が設けられている。磁性体コア３は、導体貫通穴７を包囲するように配置された状態で、基板６に接着されていたり、或いはブラケットを介してネジ止めされている。

磁性体コア３自体の形状は、ギャップ部４を除いて長円形状となっている。つまり、磁性体コア３の内周３ａ及び外周３ｂは、何れもギャップ部４を除いて長円形状をなしている。このため、磁性体コア３の幅（径方向長さ）は、全周にわたって等しくなっている。また、磁性体コア３の厚さは、全体的に等しくなっている。

磁性体コア３は、ギャップ部４と対向する磁極部Ｊを含む第１部分３ｃと、導体貫通穴７を挟んでギャップ部４の反対側に設けられた半円形状の第２部分３ｄと、第１部分３ｃと第２部分３ｄとの間に設けられた延伸部３ｅとを有している。

磁性体コア３は、基板６の導体貫通穴７の中心位置Ｇからギャップ部４までの距離Ｌａが導体貫通穴７の中心位置Ｇから磁性体コア３における導体貫通穴７を挟んでギャップ部４の反対側の部分までの距離Ｌｂよりも長くなるように、基板６に固定されている。従って、延伸部３ｅは、導体貫通穴７の中心位置Ｇに対応する位置からギャップ部４側に延びることとなる。

感磁素子５は、磁性体コア３のギャップ部４と対向する端面における幅Ｗ方向の中央部に対応する位置に配置されるように基板６に実装されている。

このような電流センサ１において、導体２に電流が流れると、磁性体コア３内に磁界（磁束）が発生して磁路が形成されるが、この時にギャップ部４に生じる磁界の強さが感磁素子５によって検出されて電圧信号に変換されることで、導体２に流れる電流値が検出されることとなる。

ここで、比較例として、従来の電流センサの一つを図２に示す。同図に示す電流センサ５０においては、磁性体コア３自体の形状がギャップ部４を除いて真円形状となっている。磁性体コア３は、導体貫通穴７に対して中心位置が一致するように基板６に固定されている。感磁素子５は、磁性体コア３のギャップ部４におけるコア径方向の内側領域に配置されている。

このような電流センサ５０では、磁性体コア３内に発生した磁束は、磁気抵抗の少ない磁性体コア３の内側領域を通りやすくなる。このため、磁性体コア３のギャップ部４におけるコア径方向の磁束密度分布としては、図３の破線Ｑで示すように、磁性体コア３の内側領域に磁束密度のピークが存在するような分布が得られるようになる。つまり、ギャップ部４におけるコア径方向の磁束密度分布の偏りが生じている。

ところで、磁束密度のピーク付近では、磁束密度の変化量が少ない。このため、磁束密度のピーク付近に感磁素子５を配置するのが好適である。従って、電流センサ５０では、磁性体コア３のギャップ部４におけるコア径方向の内側領域に感磁素子５を配置している。

しかし、ギャップ部４におけるコア径方向の内側領域は、基板６の導体貫通穴７に近く、レイアウト上の制約がある。このため、感磁素子５の配置位置がばらつきやすくなるため、電流センサ１毎に検出感度がばらつくおそれがある。

これに対し本実施形態では、上述したように、磁性体コア３自体の形状がギャップ部４を除いて長円形状であり、基板６の導体貫通穴７の中心位置Ｇからギャップ部４までの距離Ｌａが導体貫通穴７の中心位置Ｇから磁性体コア３におけるギャップ部４の反対側の部分までの距離Ｌｂよりも長くなっている。このため、磁性体コア３内に発生した磁束は、磁性体コア３の磁極部Ｊにおいてコア径方向外側に引っ張られるようになる。従って、図２に示す電流センサ５０に比し、磁性体コア３内の磁路の形状が磁極部Ｊにおいてコア径方向外側にシフトするように変化する。その結果、磁性体コア３のギャップ部４におけるコア径方向の磁束密度分布としては、図３の実線Ｐで示すように、磁性体コア３のギャップ部４と対向する端面における幅Ｗ方向の中央部に対応する位置、つまりギャップ部４のコア径方向中心部に磁束密度のピークが存在するような分布が得られるようになる。

本実施形態では、ギャップ部４における磁束密度のピーク付近、つまりギャップ部４のコア径方向中心部に感磁素子５を配置している。これにより、特にレイアウト上の制約を受けずに感磁素子５を配置することができる。従って、感磁素子５の配置位置のばらつきが抑えられるため、電流センサ１毎の検出感度のばらつきを十分低減することができる。

また、磁性体コア３を長円形状にする延伸部３ｅを第１部分３ｃと第２部分３ｄとの間に設けたので、磁性体コア３全体を大型化すること無く、ギャップ部４におけるコア径方向の磁束密度分布のピークをギャップ部４のコア径方向中心部に容易に設定することができる。

また、本実施形態では、略円環状の磁性体コア３を用いているので、角形状の磁性体コアに比べて漏れ磁束を低減し、電流センサ１の検出感度を向上させることができる。また、磁性体コア３の内周３ａには角部が無いため、磁性体コア３内の磁路の形状が急激に変化することが無く、磁性体コア３の磁気飽和が発生しにくい。従って、電流センサ１の小型化または電流検出範囲の拡大化を図ることが可能となる。

図４は、本発明に係る電流センサの第２実施形態を示す平面図である。図中、上述した第１実施形態と同一または同等の要素には同じ符号を付し、その説明を省略する。

同図において、本実施形態の電流センサ１は、ギャップ部４を有する略円環状の磁性体コア３を備えている。磁性体コア３は、ギャップ部４に対向する端面を含む第１部分としての非半円形状部３ｆと、導体貫通穴７を挟んでギャップ部４の反対側に設けられた半円形状の第２部分３ｄと、非半円形状部３ｆと第２部分３ｄとの間に設けられた延伸部３ｅとを有している。

磁性体コア３におけるギャップ部４と対向する非半円形状部３ｆの端面の幅Ｗａは、磁性体コア３における導体貫通穴７を挟んでギャップ部４の反対側の部分である第２部分３ｄの幅Ｗｂよりも大きくなっている。具体的には、磁性体コア３は、導体貫通穴７の中心位置Ｇに対応する位置よりもギャップ部４側の非半円形状部３ｆにおいて、磁性体コア３の幅がギャップ部４に対向する端面に向って徐々に大きくなるような形状を有している。つまり、非半円形状部３ｆのギャップ部４と対向する端面には、コア径方向外側（導体貫通穴７の反対側）に延びる延伸部分３ｇが設けられていることとなる。なお、磁性体コア３の内周３ａは、上記第１実施形態と同様にギャップ部４を除いて長円形状をなしている。

また、磁性体コア３は、上記第１実施形態と同様に、基板６の導体貫通穴７の中心位置Ｇからギャップ部４までの距離Ｌａが導体貫通穴７の中心位置Ｇから磁性体コア３におけるギャップ部４の反対側の部分までの距離Ｌｂよりも長くなるように、延伸部３ｅが設けられて基板６に固定されている。そして、感磁素子５は、ギャップ部４と対向する磁性体コア３の端面における幅方向中央部に対応する位置に配置されるように基板６に実装されている。

このように本実施形態においては、磁性体コア３におけるギャップ部４と対向する端面の幅Ｗａが磁性体コア３におけるギャップ部４の反対側の部分の幅Ｗｂよりも大きくなっている。このため、図２に示す電流センサ５０に比べて、磁性体コア３の磁極部Ｊの断面積が大きくなり、ギャップ部４におけるコア径方向の磁束密度分布の変化の割合を小さくすることができる。

図５は、本発明に係る電流センサの第３実施形態を示す平面図である。図中、上述した第１実施形態と同一または同等の要素には同じ符号を付し、その説明を省略する。

同図において、本実施形態の電流センサ１は、ギャップ部４を有する略円環状の磁性体コア３を備えている。磁性体コア３は、ギャップ部４と対向する端面を含む第１部分としての凸状部３ｈと、導体貫通穴７を挟んでギャップ部４の反対側に設けられた半円形状の第２部分３ｄと、凸状部３ｈと第２部分３ｄとの間に設けられた延伸部３ｅとを有している。

磁性体コア３におけるギャップ部４と対向する凸状部３ｈの端面の幅Ｗａは、磁性体コア３におけるギャップ部４の反対側の部分である第２部分３ｄの幅Ｗｂよりも大きくなっている。具体的には、磁性体コア３の内周３ａ及び外周３ｂは、上記第１実施形態と同様に、ギャップ部４を除いて長円形状をなしている。そして、磁性体コア３の凸状部３ｈは、磁性体コア３のコア径方向外側に突出する１対の突起部として延伸部分８を有している。その他の構成は、上記第１実施形態と同様である。

このように本実施形態においても、磁性体コア３におけるギャップ部４と対向する端面の幅Ｗａが磁性体コア３におけるギャップ部４の反対側の部分の幅Ｗｂよりも大きくなっているので、上記第２実施形態と同様に、ギャップ部４におけるコア径方向の磁束密度分布の変化の割合を小さくすることができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、磁性体コア３のギャップ部４におけるコア径方向の磁束密度分布のピークをギャップ部４の中心部に位置させるようにしたが、ギャップ部４におけるコア径方向の磁束密度分布のピーク位置としては、特にそれには限られない。上記実施形態によれば、ギャップ部４におけるコア径方向の磁束密度分布を任意に調整することができるため、電流センサ１の検出感度のばらつきが低減可能になるのであれば、ギャップ部４におけるコア径方向の磁束密度分布のピーク位置をギャップ部４の中心部からずれた位置としても良い。

また、上記実施形態では、磁性体コア３の外周３ｂがギャップ部４を除いて長円形状をなしているが、磁性体コア３の形状としては特にそれには限られず、磁性体コア３の少なくとも内周３ａの形状がギャップ部４を除いて長円形状（楕円形状を含む）となっていれば良く、磁性体コア３の外周３ｂの形状については矩形状等であっても良い。

１…電流センサ、２…導体、３…磁性体コア、３ａ…内周、３ｂ…外周、３ｃ…第１部分、３ｄ…第２部分、３ｅ…延伸部、３ｆ…非半円形状部（第１部分）、３ｈ…凸状部（第１部分）、４…ギャップ部、５…感磁素子、７…導体貫通穴（導体通過領域）。

Claims (4)

1. 導体に流れる電流を検出する電流センサにおいて、
   前記導体が通る導体通過領域を包囲するように設けられ、ギャップ部を有する略環状の磁性体コアと、
   前記ギャップ部に配置され、前記ギャップ部に発生する磁界を検出して電気信号に変換する感磁素子とを備え、
   前記磁性体コアの内周は、前記ギャップ部を除いて長円形状をなしており、
   前記磁性体コアは、前記導体通過領域の中心位置から前記ギャップ部までの距離を、前記導体通過領域の中心位置から前記磁性体コアにおける前記ギャップ部の反対側の部分までの距離よりも長くする延伸部を有することを特徴とする電流センサ。
2. 前記磁性体コアの外周は、前記ギャップ部を除いて前記磁性体コアの内周に対応して長円形状をなしていることを特徴とする請求項１記載の電流センサ。
3. 前記延伸部は、前記ギャップ部における前記磁性体コアの径方向の磁束密度分布のピークが前記ギャップ部と対向する前記磁性体コアの端面の幅方向中央部に対応する位置となる長さを有していることを特徴とする請求項１または２記載の電流センサ。
4. 前記延伸部は、前記ギャップ部に対向する前記磁性体コアの端面を含む第１部分と前記磁性体コアにおける前記ギャップ部の反対側に設けられた半円形状の第２部分との間に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の電流センサ。

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