(57)【要約】【課題】  高密度なコア成形が可能で高い透磁率により感度の向上が可能であり、さらにコイルの設置が容易で高密度な巻き線が可能な非接触型の電流センサを提供すること。【解決手段】  両端部２ａが所定間隔のギャップＧを介して対向状態とされた略Ｃ字状の磁性体コア２と、該磁性体コア２に絶縁体を介して巻回されたコイル４と、ギャップＧ内に配され磁束を電気信号として検出する磁気センサ素子Ｈと、を備え、磁性体コア２が、純鉄圧粉体で成形されていると共に互いに端部で接合状態に固定された２つの略Ｌ字状の分割コア２Ａ，２Ｂからなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
両端部が所定間隔のギャップを介して対向状態とされた略Ｃ字状の磁性体コアと、
該磁性体コアに絶縁体を介して巻回されたコイルと、
前記ギャップ内に配され磁束を電気信号として検出する磁気センサ素子と、を備え、
前記磁性体コアが、純鉄圧粉体で成形されていると共に互いに端部で接合状態に固定された２つの略Ｌ字状の分割コアからなることを特徴とする電流センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の電流センサにおいて、
絶縁性ボビンに巻回された前記コイルが、２つの前記分割コアのそれぞれに嵌挿されていることを特徴とする電流センサ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電流センサにおいて、
２つの前記分割コアの互いの接合部が、互いに嵌め合い可能な凹形状及び凸形状とされていることを特徴とする電流センサ。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の電流センサにおいて、
前記コイルが、絶縁材料で被覆された平角線であることを特徴とする電流センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導体に流れる電流を非接触で測定可能な電流センサに関し、特にＨＥＶ（ハイブリッド自動車）やＥＶ（電気自動車）等に好適な直流大電流検出用の電流センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
非接触で直流電流を検出するセンサとして、磁気平衡式電流センサが知られている。この磁気平衡式電流センサは、被検出電流によってコア内に生じる磁束と平衡する磁束を検出用コイルに通電することにより、被検出電流値測定を行っており、検出精度や温度特性の点から、磁気比例式電流センサより優れている。
【０００３】
従来、例えば特許文献１に示される磁性材料の一部に空隙を設けたコアを使用し、そのコアとして、樹脂バインダと磁性材料細片とを混合し、インジェクションモールド法やトランスファーモールド法によって成型したものや、特許文献２に示される磁性材料の一部に切り欠きを設けたコアを使用し、そのコアとして、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金粉末やＦｅ−Ｓｉ−Ｃｒ合金粉末と結合材（バインダ）との複合体を使用することとし、その混合比率により切り欠き部の磁束密度を制御するものがある。
また、特許文献３には、環状の磁性体コアが、２つの分割コアからなり、コイルが巻回された絶縁性ボビンの中空部内に分割コアが挿入されて連結されている電流センサのコア構造が提案されている。この２つの分割コアは、ギャップを有した短辺以外の一辺を長さ方向に沿って分割した構成とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−７２２３３号公報
【特許文献２】特開２００９−１７５０１９号公報
【特許文献３】実公平７−４５８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
従来、コア材として樹脂バインダと磁性材料細片とを使用して、コストを低減する方法では、樹脂の成形性の点から磁性材料比率を高くすることができず、ホール素子の取り付けにおいてもコア材の弾性を使用するため、磁性材料比率を高くすると、硬く脆くなる問題点があった。このため、透磁率が低くなり、センサとして感度低下の原因となっていた。また、成形時の応力により保磁力が増加し、センサのヒステリシスが増加する問題点があった。この対策として、成形後にアニール処理を行う方法があるが、樹脂バインダの耐熱性の点から、アニール温度は高温にはできず、十分なアニール効果が得られない問題点があった。
また、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金粉末やＦｅ−Ｓｉ−Ｃｒ合金粉末と結合材（バインダ）との複合体を使用し、切り欠き部の磁束密度を測定するものでは、切り欠き部に漏洩する磁束を測定するため、磁性材料粉末として、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ等の高透磁率材料が必要であり、さらに磁気センサとして、磁気インピーダンス素子やフラックスゲート等の高感度磁気センサが必要であり、一般的に使用されているホール素子が使用不能で、コスト高の原因となっていた。また、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ粉末は硬く脆いため、成形も困難で有り、よりコストを上昇させる原因となっていた。
一方、従来の磁気平衡式電流センサは、磁気コアとしてパーマロイ等の高透磁率材料をＣ形に機械加工し、そのコアに検出用コイルを巻き、その巻き数に応じた平衡電流（アンペア−ターン）を通電している。ここで、大電流用センサでは、検出用コイルにも大電流を通電する必要があり、平衡電流を減少させるためには、検出コイルの巻き数を増加する必要があった。平衡電流を増加させる為には、巻き線として断面積の大きな線材が必要であり、コアの大きさ、ひいてはセンサ全体の大きさが大きくなり、コスト高の原因と成っていた。
また、巻き線数を増加する場合、電線断面積増加の必要は無いが、いわゆるトロイダル巻きの為、巻き線が困難でコスト高の原因となり、更に整列巻き等によって巻き線密度を高めることが困難なため、コアサイズの増大、ひいてはセンサ全体の大きさが大きくなり、巻き線に加えて、よりコスト高と成っていた。
さらに、上記の２つの分割コアで磁性体コアを構成する方法では、２つの分割コアをギャップを有した短辺以外の一辺を長さ方向に沿って分割した構成としているが、この場合、長さ方向に沿って分割された一辺部分にしかコイルを装着することができないという不都合があった。
【０００６】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、高密度なコア成形が可能で高い透磁率により感度の向上が可能であり、さらにコイルの設置が容易で高密度な巻き線が可能な非接触型の電流センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明の電流センサは、両端部が所定間隔のギャップを介して対向状態とされた略Ｃ字状の磁性体コアと、該磁性体コアに絶縁体を介して巻回されたコイルと、前記ギャップ内に配され磁束を電気信号として検出する磁気センサ素子と、を備え、前記磁性体コアが、純鉄圧粉体で成形されていると共に互いに端部で接合状態に固定された２つの略Ｌ字状の分割コアからなることを特徴とする。
【０００８】
この電流センサでは、磁性体コアが、純鉄圧粉体で成形されていると共に互いに端部で接合状態に固定された２つの略Ｌ字状の分割コアからなるので、純鉄圧粉体がＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金に比べて柔らかく圧粉が容易で高密度に成形可能であり、透磁率が高くなって感度が上昇し測定精度の向上を図ることができる。また、高密度に成形可能なので、高精度の加工が可能になり、コア形状による最適な磁気回路を複雑な形状で加工可能であり、高密度化のための設計ができ、これによっても測定精度が向上する。さらに、純鉄圧粉体では、高温でのアニールが可能であり、加工時の保磁力を低減でき、ヒステリシスの減少が可能となる。なお、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金のキュリー温度（強磁性が失われる温度）Ｔｃは５００℃であるのに対し、純鉄（Ｆｅ）のキュリー温度Ｔｃは７７０℃であり、温度特性上も有利である。
また、磁性体コアが、互いに端部で接合状態に固定された２つの分割コアからなるので、分割構造とされた組み合わせ式の磁性体コアにより大幅な磁気特性劣化が無く、トロイダル巻きを行うことなく検出用のコイルを設置可能である。特に、２つの分割コアが互いに略Ｌ字状とされているので、一方の分割コア側の一辺部分だけでなく、両方の分割コアの一辺部分にもコイルを装着でき、少なくとも２つのコイルを二辺に装着することも容易である。また、２つの分割コアのいずれか一方を任意に選択してコイルを装着することも可能である。
【０００９】
また、本発明の電流センサは、絶縁性ボビンに巻回された前記コイルが、２つの前記分割コアのそれぞれに嵌挿されていることを特徴とする。
すなわち、この電流センサでは、絶縁性ボビンに巻回されたコイルが、２つの分割コアのそれぞれに嵌挿されているので、コイルが予め絶縁性ボビンに巻回され、整列巻きが可能で、巻き線密度を高めることが可能であると共に、トロイダル巻きに掛かる費用が不要となり、巻き線に要する時間も大幅に短縮することができる。また、各分割コアにコイルを容易に装着可能であり、少なくとも２つのコイルを磁性体コアの２辺に装着することができる。
【００１０】
また、本発明の電流センサは、２つの前記分割コアの互いの接合部が、互いに嵌め合い可能な凹形状及び凸形状とされていることを特徴とする。
すなわち、この電流センサでは、２つの分割コアの互いの接合部が、互いに嵌め合い可能な凹形状及び凸形状とされているので、純鉄圧粉体で高精度に成形された２つの分割コアの接合部が高精度に嵌め合って位置ずれし難く、高い精度で面接触した状態で固定可能である。
【００１１】
また、本発明の電流センサは、前記コイルが、絶縁材料で被覆された平角線であることを特徴とする。
すなわち、この電流センサでは、コイルが、絶縁材料で被覆された平角線であるので、より高密度に巻き線が可能であり、コイルのコストダウンとセンサの高精度化及び小型化とが可能になる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る電流センサによれば、磁性体コアが、純鉄圧粉体で成形されていると共に互いに端部で接合状態に固定された２つの略Ｌ字状の分割コアからなるので、圧粉が容易で高密度に成形可能であり、高い透磁率による感度の上昇と高密度成形による高精度加工とが可能になり、測定精度の向上を図ることができると共に、高温アニールが可能で、ヒステリシスの減少が可能である。さらに、磁性体コアが２つの略Ｌ字状の分割コアからなるので、コイルを整列巻きとすることが可能で、巻き線密度を高めることが可能であり、低コスト化が可能であると共に、磁性体コアの２辺にもコイルを装着可能である。
したがって、本発明によれば、大型化やコスト増加を伴わず、高精度測定が可能であり、特に、直流大電流検出が可能なことから、ＨＥＶやＥＶ等のバッテリ管理およびモータ制御用の磁気平衡式電流センサとして好適である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る電流センサの一実施形態を示す正面図である。
【図２】本実施形態において、電流センサを示す左側面図及び右側面図である。
【図３】本発明に係る電流センサの比較例を示す正面図及び右側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る電流センサの一実施形態を、図１及び図２を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能又は認識容易な大きさとするために縮尺を適宜変更している。
【００１５】
本実施形態の電流センサ１は、磁気平衡式電流センサであって、図１及び図２に示すように、両端部２ａが所定間隔のギャップＧを介して対向状態とされた略Ｃ字状の磁性体コア２と、該磁性体コア２に絶縁性ボビン３を介して巻回されたコイル４と、ギャップＧ内に配され磁束を電気信号として検出する磁気センサ素子Ｈと、を備えている。
【００１６】
上記磁性体コア２は、純鉄圧粉体で成形され、互いに端部で接合状態に固定された２つの分割コア２Ａ，２Ｂから構成されて、全体として略Ｃ字状かつ略四角枠状とされている。
２つの分割コア２Ａ，２Ｂは、それぞれ略Ｌ字状に形成され、互いに接合部２ｂとなる端部が接触状態に固定されている。また、２つの分割コア２Ａ，２Ｂの互いの接合部２ｂは、互いに嵌め合い可能な凹形状及び凸形状とされている。これら互いの接合部２ｂは、互いに嵌め合った状態でクランプ(図示略)により固定されている。
【００１７】
この磁性体コア２の略中心に、被測定電流が流れる導電線や導電棒が挿通状態とされる。
磁性体コア２の両端部２ａは、互いにギャップＧを介して対向する先細のテーパー状に成形されている。
【００１８】
上記コイル４は、サーチコイル（帰還コイル）であって、絶縁性ボビン３に巻回されたポリイミド樹脂等の絶縁材料で被覆された平角線であり、絶縁性ボビン３に整列巻きされている。なお、本実施形態では、コイル４として、ポリイミド・コーティングされた平角銅線を採用している。このコイル４は、通電方向に応じて被測定電流によって発生する磁界を打ち消す方向に巻回されている。
このコイル４が巻回された絶縁性ボビン３は、２つの分割コア２Ａ，２Ｂのそれぞれに嵌挿されて、磁性体コア２の２辺にそれぞれ設置されている。すなわち、２つの分割コア２Ａ，２Ｂのそれぞれ接合部２ｂとなる端部から直線状に延在する一辺部分を、コイル４が巻回された絶縁性ボビン３に挿通させることで、磁性体コア２の２辺部分にコイル４が装着される。
【００１９】
上記磁気センサ素子Ｈは、ホール素子であるが、磁気インピーダンス素子やフラックスゲート等でも構わない。この磁気センサ素子Ｈには、増幅回路（図示略）が接続されている。また、該増幅回路は、コイル４の一端に接続されており、磁気センサ素子Ｈからの出力電圧に基づいて増幅したキャンセル電流をコイル４に通電するように構成されている。また、コイル４の他端には、出力抵抗（図示略）が接続されており、コイル４に流れるキャンセル電流を電圧として検出するように構成されている。
【００２０】
すなわち、本実施形態の電流センサ１では、磁性体コア２を挿通する導電線等に被測定電流が流れると、電流に応じた磁界により磁気センサ素子Ｈに出力電圧が発生し、その電圧信号が増幅回路によって電流に変換されると共にコイル４にフィードバックされるようになっている。この際、コイル４により生じるキャンセル磁界と被測定電流により生じる磁界とが打ち消し合ってギャップＧ内の磁界が常にゼロになるように動作することで、コイル４に流れるキャンセル電流を出力抵抗を介して電圧に変換することで被測定電流の測定が行われる。
【００２１】
このように本実施形態の電流センサ１では、磁性体コア２が、純鉄圧粉体で成形されていると共に互いに端部で接合状態に固定された２つの略Ｌ字状の分割コア２Ａ，２Ｂからなるので、純鉄圧粉体がＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金に比べて柔らかく圧粉が容易で高密度に成形可能であり、透磁率が高くなって感度が上昇し測定精度の向上を図ることができる。また、高密度に成形可能なので、高精度の加工が可能になり、コア形状による最適な磁気回路を複雑な形状で加工可能であり、高密度化のための設計ができ、これによっても測定精度が向上する。さらに、純鉄圧粉体では、高温でのアニールが可能であり、加工時の保磁力を低減でき、ヒステリシスの減少が可能となる。
【００２２】
また、絶縁性ボビン３に巻回されたコイル４が、２つの分割コア２Ａ，２Ｂに嵌挿されているので、コイル４が予め絶縁性ボビン３に巻回され、整列巻きが可能で、巻き線密度を高めることが可能であると共に、トロイダル巻きに掛かる費用が不要となり、巻き線に要する時間も大幅に短縮することができる。
特に、２つの分割コア２Ａ，２Ｂが互いに略Ｌ字状とされているので、一方の分割コア側の一辺部分だけでなく、両方の分割コアの一辺部分にもコイル４を装着でき、少なくとも２つのコイル４を二辺に装着することも容易である。また、２つの分割コア２Ａ，２Ｂのいずれか一方を任意に選択してコイル４を装着することも可能である。
【００２３】
さらに、２つの分割コア２Ａ，２Ｂの互いの接合部２ｂが、互いに嵌め合い可能な凹形状及び凸形状とされているので、純鉄圧粉体で高精度に成形された２つの分割コア２Ａ，２Ｂの接合部２ｂが高精度に嵌め合って位置ずれし難く、高い精度で面接触した状態で固定可能である。
また、コイル４が、絶縁材料で被覆された平角線であるので、より高密度に巻き線が可能であり、コイル４のコストダウンとセンサの高精度化及び小型化とが可能になる。
【実施例１】
【００２４】
上記本実施形態の電流センサ１を実際に作製した実施例の評価結果を、以下に説明する。
【００２５】
本実施例の電流センサ１では、２つの分割コア２Ａ，２Ｂの嵌め合わされる接合部２ｂを０．０１ｍｍ以下の間隙で製作した。また、２つのコイル４は、いずれもポリイミド・コーティングを行った０．１ｍｍ平角銅線を絶縁性ボビン３に４００ターン整列巻きしたものを採用した。これらコイル４にそれぞれ２つの分割コア２Ａ，２Ｂを挿入して接合部２ｂで嵌め合わせた状態で、クランプにて固定することで作製した。
この本実施例の電流センサ１における磁性体コア２の略中心に１０ｍｍ角の銅製バーを貫通させ、被測定電流とし、その電流値を変えて電流センサ１によって検出した。その際の本実施例による検出値１と実際の電流値に対する誤差とを、以下の表１に示す。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
また、比較例として、図３に示すように、パーマロイ板から略Ｌ字状に切り出した板状のコア材１０２ｃを３枚積層した２つの分割コア１０２Ａ，１０２Ｂからなる磁性体コア１０２を作製し、これを用いて本実施例と同様に電流センサ１０１を作製した。この比較例により測定した結果を、表１に併せて示す。なお、比較例による検出電流値は、検出値２として表に示す。また、比較例では、使用コア材料による制約（精密加工が付加）のため、コア材１０２ｃが嵌め合わされる接合部２ｂは０．１ｍｍ程度の間隙がある。
【００２８】
上記本実施例では、実効比透磁率が１７５であり、比較例の実効比透磁率の１６５と同等となった。また、表１からわかるように、電流値に対する測定精度は、本実施例が比較例の２倍以上と高い精度が得られている。
【００２９】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、２つのコイルを磁性体コアに設置したが、１つ又は３以上のコイルを設置しても構わない。
【符号の説明】
【００３０】
１，１０１…電流センサ、２，１０２…磁性体コア、２ａ…磁性体コアの両端部、２ｂ…分割コアの接合部、２Ａ，２Ｂ，１０２Ａ，１０２Ｂ…分割コア、３…絶縁性ボビン（絶縁体）、４…コイル、Ｇ…ギャップ、Ｈ…磁気センサ素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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