(57)【要約】【課題】  コア材料の透磁率が高い領域を使用することができ、感度の向上を図ることができる非接触型の電流センサ装置を提供すること。【解決手段】  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３と、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Ｈと、該磁気センサ素子Ｈに接続されたセンサ回路５と、を備え、該センサ回路５が、基準電圧が印加された磁気センサ素子Ｈの電圧端子間の電位差を信号として検出して増幅する差動増幅部６と、磁性体コアを磁化させてオフセットを生じさせるためのオフセット電圧を発生させる磁化オフセット生成部７と、差動増幅部６で増幅された信号とオフセット電圧とを加算処理してコイル３に送信する信号混合部３と、を備えている。【選択図】図１
2011106891.tif 000002
【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、
該磁気センサ素子に接続されたセンサ回路と、を備え、
該センサ回路が、基準電圧が印加された前記磁気センサ素子の電圧端子間の電位差を信号として検出して増幅する差動増幅部と、
前記磁性体コアを磁化させてオフセットを生じさせるためのオフセット電圧を発生させる磁化オフセット生成部と、
前記差動増幅部で増幅された信号と前記オフセット電圧とを加算処理して前記コイルに送信する信号混合部と、を備えていることを特徴とする電流センサ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電流センサ装置において、
前記磁化オフセット生成部が、前記オフセット電圧を変更するオフセット値可変手段を備えていることを特徴とする電流センサ装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電流センサ装置において、
前記磁性体コアが、純鉄圧粉体で成形されていることを特徴とする電流センサ装置。
【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装置に関し、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装置に関する。
【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。また、この磁気平衡式電流センサのコア材料としては、検出精度や温度特性の点から、パーマロイ等の高透磁率材料が使われている。
【０００３】
上記パーマロイ等の高透磁率材料は加工が困難であり、通常は薄板状の材料を打ち抜きまたは切り出しにより略コア形状として、それを複数枚重ねて作製されている。このため、３次元的なコア形状の実現は困難である。また、このような材料はコストが高く、さらにコア形状に加工することにより、保磁力が増加し、ひいては残留磁化が大きくなる。残留磁化が大きくなるとコアが帯磁した状態になり、被測定電流が零でも残留磁化に応じてホール素子等にオフセット電圧が発生してしまう。このため、加工後に十分な熱処理を行う必要が有り、よりコスト高の原因となっていた。
【０００４】
この対策として、例えば特許文献１には、コスト低減のためにコア材料として、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が提案されている。しかしながら、このような材料は透磁率が低く、感度、精度および応答性に問題があった。
【０００５】
また、オフセット電圧をキャンセルさせる方法として、従来、例えば特許文献２および３には、磁気抵抗素子にバイアス磁界を発生させる磁石を設けた電流センサが提案されている。また、特許文献４には、ホール素子のオフセット電圧をキャンセルするバイアス磁界を発生させるバイアス磁界発生手段を備えた電流センサが提案されている。これらの電流センサでは、オフセット電圧をキャンセルさせて零磁界に制御して精度を向上させることを目的としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平５−７２２３３号公報
【特許文献２】特開平６−７４９７６号公報
【特許文献３】特開平６−１３００８８号公報
【特許文献４】特開昭６２−１６３９７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
上記従来の技術では、ホール素子や磁気抵抗素子のオフセット電圧をキャンセルさせて零磁界に制御を行っているが、磁気比例式電流センサの性能を決める要因として、初透磁率が重要であり、磁気ヒステリシス曲線の勾配が透磁率となるため、零磁界による初透磁率の領域では感度が低いという不都合があった。
【０００８】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、コア材料の透磁率が高い領域を使用することができ、感度の向上を図ることができる非接触型の電流センサ装置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】
【０００９】
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装置は、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、該磁気センサ素子に接続されたセンサ回路と、を備え、該センサ回路が、基準電圧が印加された前記磁気センサ素子の電圧端子間の電位差を信号として検出して増幅する差動増幅部と、前記磁性体コアを磁化させてオフセットを生じさせるためのオフセット電圧を発生させる磁化オフセット生成部と、前記差動増幅部で増幅された信号と前記オフセット電圧とを加算処理して前記コイルに送信する信号混合部と、を備えていることを特徴とする。
【００１０】
この電流センサ装置では、磁性体コアを磁化させてオフセットを生じさせるためのオフセット電圧を発生させる磁化オフセット生成部を備えているので、磁性体コアの磁化が強制的にオフセットされて制御点が変更されることでコア材料の透磁率が高い領域（磁気ヒステリシス曲線の勾配が大きい領域）にて使用することが可能になり、高い感度を得ることができる。
【００１１】
また、本発明の電流センサ装置は、前記磁化オフセット生成部が、前記オフセット電圧を変更するオフセット値可変手段を備えていることを特徴とする。
すなわち、この電流センサ装置では、磁化オフセット生成部が、オフセット電圧を変更するオフセット値可変手段を備えているので、コア材料に応じて磁化のオフセット値を変更および調整することが可能になる。
【００１２】
また、本発明の電流センサ装置は、前記磁性体コアが、純鉄圧粉体で成形されていることを特徴とする。
すなわち、この電流センサ装置では、磁性体コアが安価なコア材である純鉄圧粉体で成形されても、磁化オフセット生成部による磁性体コアのオフセット磁化によって高い感度を得ることができる。
また、純鉄圧粉体は、柔らかく圧粉が容易で３次元的な加工が可能であると共に高密度に成形可能であり、パーマロイ等の高透磁率材料のコアと同等以上に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。
【発明の効果】
【００１３】
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装置によれば、磁性体コアを磁化させてオフセットを生じさせるためのオフセット電圧を発生させる磁化オフセット生成部を備えているので、磁性体コアの磁化が強制的にオフセットされて制御点が変更されることでコア材料の透磁率が高い領域にて使用することが可能になり、高い感度を得ることができる。
したがって、本発明によれば、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】
【００１４】
【図１】本発明に係る電流センサ装置の一実施形態を示す回路図である。
【図２】本実施形態において、電流センサ本体を示す正面図である。
【図３】本実施形態において、磁界強度と磁束密度との関係を示す磁化曲線のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る電流センサ装置の一実施形態を、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。
【００１６】
本実施形態の電流センサ装置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３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、該磁気センサ素子Ｈに接続されたセンサ回路５と、該センサ回路５を駆動する電源Ｄと、を備えている。
【００１７】
上記磁性体コア２とコイル３と磁気センサ素子Ｈとにより電流センサ本体１０を構成している。
上記磁性体コア２は、純鉄圧粉体で成形され、図２に示すように、全体として略Ｃ字状かつ略四角枠状とされている。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。
【００１８】
上記コイル３は、サーチコイル（帰還コイル）であって、例えば絶縁性ボビン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、絶縁性ボビンに整列巻きされている。なお、本実施形態では、コイル３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３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。
【００１９】
上記磁気センサ素子Ｈは、磁電変換素子であって、ホール素子が採用されるが、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は、基準電圧を印加する基準電圧源（Ｖref）に接続されていると共に、一対の電圧端子が上記センサ回路５に接続されている。なお、基準電圧源として電源Ｄを用いても良く、本実施形態では、磁気センサ素子Ｈが電源Ｄに接続されている。また、該センサ回路５は、コイル３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３に通電するように構成されている。また、コイル３の他端には、電流／電圧変換抵抗として出力抵抗ＲＬが接続されており、コイル３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】
上記センサ回路５は、図１に示すように、基準電圧が印加された磁気センサ素子Ｈの電圧端子間の電位差を信号として検出して増幅する差動増幅部６と、電源Ｄに接続され磁性体コア２を磁化させてオフセットを生じさせる、すなわち磁性体コア２に対してオフセット磁化を与えるためのオフセット電圧を発生させる磁化オフセット生成部７と、差動増幅部６で増幅された信号とオフセット電圧とを加算処理してコイル３に送信する信号混合部８と、を備えている。
【００２１】
上記差動増幅部６は、磁気センサ素子Ｈの一対の電圧端子からの入力電圧差をとって増幅する機能を有しており、電源Ｄに接続されていると共に磁気センサ素子Ｈの一対の電圧端子にそれぞれ第１抵抗Ｒ１及び第２抵抗Ｒ２を介してＶ−端子及びＶ＋端子が接続されたオペアンプとしてプリアンプＵ１を有している。このプリアンプＵ１のＶ＋端子とグランドとは、第３抵抗Ｒ３を介して接続されていると共に、プリアンプＵ１の出力端子とＶ−端子とは、第４抵抗Ｒ４を介して接続されている。
【００２２】
上記磁化オフセット生成部７は、電源Ｄに接続されたオフセットスイッチＳＷ１と、該オフセットスイッチＳＷ１に接続された第９抵抗Ｒ９と、該第９抵抗Ｒ９とグランドとの間に接続された第１０抵抗Ｒ１０と、第９抵抗Ｒ９と第１０抵抗Ｒ１０との間に一端が接続され他端が信号混合部８における加算アンプＵ２のＶ−端子に接続された第５抵抗Ｒ５と、を備えている。
【００２３】
また、上記オフセットスイッチＳＷ１は、電源Ｄに対する接続と切断とを切り替え可能なスイッチであり、磁化のオフセット効果確認のため設置されている。したがって、オフセットスイッチＳＷ１は必須ではなく、通常、オフセットスイッチＳＷ１はＯＮ状態とされており、電源Ｄに接続されている。
【００２４】
上記信号混合部８は、信号混合・バッファ部であって、電源Ｄに接続されていると共に、Ｖ−端子が第６抵抗Ｒ６を介してプリアンプＵ１の出力端子に接続されたオペアンプとして加算アンプＵ２を備えている。この加算アンプＵ２のＶ＋端子とグランドとは、第７抵抗Ｒ７を介して接続されていると共に、加算アンプＵ２の出力端子とＶ−端子とは、第８抵抗Ｒ８を介して接続されている。また、加算アンプＵ２の出力端子は、コイル３に接続されている。
【００２５】
なお、第９抵抗Ｒ９と第１０抵抗Ｒ１０との抵抗値の比率によって磁性体コア２の磁化のオフセット値が決定される。したがって、磁化のオフセット値の調整する場合、第９抵抗Ｒ９と第１０抵抗Ｒ１０とが可変抵抗であることが好ましい。なお、本実施形態の純鉄圧粉材で形成された磁性体コア２では、最適な範囲としてコア内の磁束密度が０．２〜０．６Ｔ程度に設定されている。
【００２６】
本実施形態の電流センサ装置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、その電圧信号がセンサ回路５によって電流に変換されると共にコイル３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３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内の磁界が常にオフセットされた一定の磁界になるように動作することで、コイル３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。
【００２７】
すなわち、差動増幅部６で磁気センサ素子Ｈの入力電圧差を信号として増幅させると共に、この信号と磁化オフセット生成部７にて設定されたオフセット電圧とが信号混合部８の加算アンプＵ２で加算処理されることで、磁性体コア２の磁化が強制的にオフセットされ、磁界の制御点が従来の零磁界から一定の大きさの磁界に変更された状態で、電流測定が行われる。すなわち、上記オフセット電圧は、加算アンプＵ２の基準電圧を上げる電圧とされる。この際、コア材料の透磁率が高い領域（磁気ヒステリシス曲線の勾配が大きい領域）となるように磁化のオフセット値が設定されるため、磁気センサ素子Ｈにおいて高い感度を得ることができる。すなわち、図３に示すように、磁界強度（Ｈ：検出電流に相当）に対する磁束密度（Ｂ）を示す磁化曲線において、同じ磁界強度変化ｄＨならば、透磁率の高い磁界強度の領域では、磁性体コア２中の磁束密度変化ｄＢ２が大きくなり、感度・精度が向上する。
【００２８】
このように、本実施形態の電流センサ装置１では、磁性体コア２を磁化させてオフセットさせるためのオフセット電圧を発生させる磁化オフセット生成部７を備えているので、磁性体コア２の磁化が強制的にオフセットされて制御点が変更されることでコア材料の透磁率が高い領域にて使用することが可能になり、高い感度を得ることができる。
【００２９】
また、磁化オフセット生成部７が、オフセット電圧を変更するオフセット値可変手段として第９抵抗Ｒ９と第１０抵抗Ｒ１０とを可変抵抗とすることで、コア材料に応じて磁化のオフセット値を変更および調整することが可能になる。
さらに、磁性体コア２が安価なコア材である純鉄圧粉体で成形されても、磁化オフセット生成部７による磁性体コア２のオフセット磁化によって高い感度を得ることができる。
また、純鉄圧粉体は、柔らかく圧粉が容易で３次元的な加工が可能であると共に高密度に成形可能であり、パーマロイ等の高透磁率材料のコアと同等以上に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。
【実施例１】
【００３０】
上記本実施形態の電流センサ装置１を実際に作製した実施例について、評価した結果を以下に説明する。
【００３１】
本実施例の電流センサ装置１として、図１に示す回路構成において各部は以下のように設定した。
第１抵抗Ｒ１：１０ｋΩ、第２抵抗Ｒ２：１０ｋΩ、第３抵抗Ｒ３：１００ｋΩ、第４抵抗Ｒ４：１００ｋΩ、第５抵抗Ｒ５：１００ｋΩ、第６抵抗Ｒ６：１ｋΩ、第７抵抗Ｒ７：１００ｋΩ、第８抵抗Ｒ８：１００ｋΩ、第９抵抗Ｒ９：１００ｋΩ、第１０抵抗Ｒ１０：１００ｋΩ、出力抵抗ＲＬ：１００Ω、コイル３：５０００Ｔｕｒｍ
【００３２】
磁性体コア２のコア材料としては、透磁率〜１００程度の純鉄圧粉材を使用した。
また、サーチコイル（帰還コイル）であるコイル３は、磁性体コア２に５０００回の巻回を行っている。また、電源電圧はＶｃｃ＝５Ｖ，Ｖｅｅ＝−５Ｖとした。被測定用電流として、磁性体コア２にΦ１０ｍｍの銅棒を挿入し、その銅棒に１００Ａを通電し被測定電流とすることにより測定を行った。
【００３３】
まず初めに、オフセットスイッチＳＷ１を開いた状態で、センサ回路５に通電し、測定を行ったところ、被測定電流１００Ａにて誤差が１．２％となり、応答時間は１５μｓｅｃであった。次に、オフセットスイッチＳＷ１を閉じた状態で、同様に測定を行ったところ、誤差が０．２％となると共に応答時間が４μｓｅｃとなった。このように、測定精度及び応答時間共に、大幅に改善され、感度の向上が確認された。
【００３４】
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。
【符号の説明】
【００３５】
１…電流センサ装置、２…磁性体コア、３…コイル、５…センサ回路、６…差動増幅部、７…磁化オフセット生成部、８…信号混合部、Ｄ…電源、Ｇ…ギャップ、Ｈ…磁気センサ素子、ＳＷ１…オフセットスイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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