(57)【要約】【課題】環状構造を有するコアの磁気飽和が防止された電流センサを提供する。【解決手段】ｙ方向を感磁方向とする磁気センサＳと、ｘ方向及びｙ方向から磁気センサＳを取り囲み、ｚ方向に開口部２０ａを有する環状のコア２０と、測定対象電流Ｉによって磁気センサＳにｙ方向の磁束を与えるバスバーＢとを備える。バスバーＢは、磁束φ１を発生させる電流経路Ｂ１と、磁束φ２を発生させる電流経路Ｂ２と、磁束φ１を打ち消す磁束φ３を発生させる電流経路Ｂ３と、磁束φ２を打ち消す磁束φ４を発生させる電流経路Ｂ４とを含む。本発明によれば、磁束φ３，φ４によって磁束φ１，φ２の少なくとも一部が打ち消されることから、バスバーＢに流れる測定対象電流Ｉの電流量が大きい場合であっても、環状構造を有するコア２０の磁気飽和が防止される。これにより、大電流の測定に適した電流センサを提供することが可能となる。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の方向を感磁方向とする磁気センサと、
前記第１の方向及び前記第１の方向と直交する第２の方向から前記磁気センサを取り囲み、前記第１及び第２の方向と直交する第３の方向に開口部を有する環状のコアと、
測定対象電流によって前記磁気センサに前記第１の方向の磁束を与えるバスバーと、を備え、
前記バスバーは、
前記コアの前記開口部を貫通して設けられ、前記コアを一方向に周回する第１の磁束を発生させる第１の電流経路と、
前記コアの前記開口部を貫通して設けられ、前記コアを逆方向に周回する第２の磁束を発生させる第２の電流経路と、
前記コアの前記開口部を貫通することなく設けられ、前記第１の磁束の少なくとも一部を打ち消す第３の磁束を発生させる第３の電流経路と、
前記コアの前記開口部を貫通することなく設けられ、前記第２の磁束の少なくとも一部を打ち消す第４の磁束を発生させる第４の電流経路と、を含むことを特徴とする電流センサ。
【請求項２】
前記コアは、前記磁気センサを前記第２の方向における両側から覆う第１及び第２の壁状部と、前記磁気センサを前記第１の方向における両側から覆う第３及び第４の壁状部とを含み、
前記コアの前記第１の壁状部は、前記バスバーの前記第１及び第３の電流経路によって前記第２の方向から挟まれ、
前記コアの前記第２の壁状部は、前記バスバーの前記第２及び第４の電流経路によって前記第２の方向から挟まれることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
【請求項３】
前記バスバーは、前記第１及び第３の電流経路に流れる電流を前記第２及び第４の電流経路に供給する第５の電流経路をさらに含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の電流センサ。
【請求項４】
前記バスバーは、前記第１乃至第５の電流経路をバイパスする第６の電流経路さらに含むことを特徴とする請求項３に記載の電流センサ。
【請求項５】
前記磁気センサは、前記バスバーの前記第５及び第６の電流経路によって前記第３の方向から挟まれることを特徴とする請求項４に記載の電流センサ。
【請求項６】
前記磁気センサは、アモルファス磁性金属からなる可飽和磁性体と、前記第１の方向が軸方向となるよう、前記可飽和磁性体に巻回された検出コイルとを含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電流センサ。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の電流センサの設計方法であって、前記バスバーの前記第３及び第４の電流経路によって発生する前記第３及び第４の磁束を調整する工程を含むことを特徴とする電流センサの設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電流センサ及びその設計方法に関し、特に、測定対象電流によって発生する磁束の磁路となるコアと磁気センサを備えた電流センサ及びその設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気センサを用いた電流センサとしては、特許文献１及び２に記載された電流センサが知られている。特許文献１及び２に記載された電流センサは、測定対象電流が流れるバスバーと、バスバーからの磁束を受ける磁気センサと、磁束の磁路となるコアを備えている。
【０００３】
しかしながら、特許文献１に記載された電流センサは、コアに設けられたギャップ間に磁気センサが配置される構成を有していることから、コアに外乱磁界が侵入すると、その一部が磁気センサに印加されてしまう。このため、特許文献１に記載された電流センサは、外乱磁界の影響を受けやすいという問題を有している。
【０００４】
これに対し、特許文献２に記載された電流センサは、コアが環状構造を有していることから、コアによって外乱磁界がバイパスされ、磁気センサに外乱磁界が印加されにくいという特徴を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３３０１５２６号公報
【特許文献２】特許第５６８０２８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献２に記載された電流センサは、バスバーに大電流が流れるとコアが磁気飽和を起こすことから、測定可能な電流量が制限されるという問題があった。
【０００７】
したがって、本発明は、環状構造を有するコアの磁気飽和が防止された電流センサ及びその設計方法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】
【０００８】
本発明による電流センサは、第１の方向を感磁方向とする磁気センサと、第１の方向及び第１の方向と直交する第２の方向から磁気センサを取り囲み、第１及び第２の方向と直交する第３の方向に開口部を有する環状のコアと、測定対象電流によって磁気センサに第１の方向の磁束を与えるバスバーとを備え、バスバーは、コアの開口部を貫通して設けられ、コアを一方向に周回する第１の磁束を発生させる第１の電流経路と、コアの開口部を貫通して設けられ、コアを逆方向に周回する第２の磁束を発生させる第２の電流経路と、コアの開口部を貫通することなく設けられ、第１の磁束の少なくとも一部を打ち消す第３の磁束を発生させる第３の電流経路と、コアの開口部を貫通することなく設けられ、第２の磁束の少なくとも一部を打ち消す第４の磁束を発生させる第４の電流経路とを含むことを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、バスバーの第３及び第４の電流経路から発生する磁束によって第１及び第２の磁束の少なくとも一部が打ち消されることから、バスバーに流れる測定対象電流の電流量が大きい場合であっても、環状構造を有するコアの磁気飽和が防止される。これにより、大電流の測定に適した電流センサを提供することが可能となる。
【００１０】
本発明において、コアは、磁気センサを第２の方向における両側から覆う第１及び第２の壁状部と、磁気センサを第１の方向における両側から覆う第３及び第４の壁状部とを含み、コアの第１の壁状部は、バスバーの第１及び第３の電流経路によって第２の方向から挟まれ、コアの第２の壁状部は、バスバーの第２及び第４の電流経路によって第２の方向から挟まれるものであっても構わない。これによれば、コアに流れる磁束が磁気センサを通過することから、測定対象電流を高感度に検出することが可能となる。
【００１１】
本発明において、バスバーは、第１及び第３の電流経路に流れる電流を第２及び第４の電流経路に供給する第５の電流経路をさらに含むものであっても構わない。これによれば、第１及び第３の電流経路に流れる電流の電流量を第２及び第４の電流経路に流れる電流の電流量と容易に一致させることが可能となる。
【００１２】
本発明において、バスバーは、第１乃至第５の電流経路をバイパスする第６の電流経路さらに含むものであっても構わない。これによれば、第１乃至第５の電流経路に流れる電流の電流量が低減されることから、測定対象電流がより大電流であっても、電流量を測定することが可能となる。
【００１３】
本発明において、磁気センサは、バスバーの第５及び第６の電流経路によって第３の方向から挟まれるものであっても構わない。これによれば、第５の電流経路に流れる電流が磁気センサに与える磁気的影響の少なくとも一部を第６の電流経路に流れる電流によってキャンセルすることが可能となる。
【００１４】
本発明において、磁気センサは、アモルファス磁性金属からなる可飽和磁性体と、第１の方向が軸方向となるよう、可飽和磁性体に巻回された検出コイルとを含むものであっても構わない。これによれば、高い検出感度を確保することが可能となる。
【００１５】
本発明による電流センサの設計方法は、バスバーの第３及び第４の電流経路によって発生する第３及び第４の磁束を調整する工程を含むことを特徴とする。本発明によれば、バスバーの第３及び第４の電流経路の位置、本数、断面積などによって、第３及び第４の磁束を調整することが可能となる。このため、電流センサの感度や測定可能な最大電流量などを容易に設計変更することが可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
このように、本発明によれば、環状構造を有するコアの磁気飽和が防止された電流センサ及びその設計方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態による電流センサ１１の構成を示す略斜視図である。
【図２】図２は、電流センサ１１をｘ方向から見た側面図である。
【図３】図３は、電流センサ１１をｙ方向から見た正面図である。
【図４】図４は、電流センサ１１をｚ方向から見た上面図である。
【図５】図５は、磁気センサＳの構造を説明するための略斜視図である。
【図６】図６は、測定対象電流Ｉによって生じる磁束φ１〜φ４，φｉの流れを説明するための模式図である。
【図７】図７は、ｘ方向の外乱磁界が生じた場合における磁束φｘの流れを説明するための模式図である。
【図８】図８は、ｙ方向の外乱磁界が生じた場合における磁束φｙの流れを説明するための模式図である。
【図９】図９は、電流センサ１１の第１設計例を説明するための模式図である。
【図１０】図１０は、電流センサ１１の第２設計例を説明するための模式図である。
【図１１】図１１は、電流センサ１１の第３設計例を説明するための模式図である。
【図１２】図１２は、電流センサ１１の第４設計例を説明するための模式図である。
【図１３】図１３は、電流センサ１１の第５設計例を説明するための模式図である。
【図１４】図１４は、電流センサ１１の第６設計例を説明するための模式図である。
【図１５】図１５は、電流センサ１１の第７設計例を説明するための模式図である。
【図１６】図１６は、本発明の第２の実施形態による電流センサ１２の構成を示す略斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。
【００１９】
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態による電流センサ１１の構成を示す略斜視図である。また、図２は電流センサ１１をｘ方向から見た側面図であり、図３は電流センサ１１をｙ方向から見た正面図であり、図４は電流センサ１１をｚ方向から見た上面図である。
【００２０】
本実施形態による電流センサ１１は、フラックスゲート型の磁気センサを用いた電流センサであり、図１〜図４に示すように、ｙ方向を感磁方向とするフラックスゲート型の磁気センサＳと、磁気センサＳをｘ方向及びｙ方向から取り囲む環状のコア２０と、測定対象電流Ｉが流れるバスバーＢを備えている。
【００２１】
磁気センサＳは、図５に示すように、ｙ方向を長手方向とする可飽和磁性体Ｍに検出コイルＣが巻回された構成を有している。可飽和磁性体Ｍの材料については特に限定されないが、アモルファス磁性金属を用いることが好ましい。アモルファス磁性金属は、単層構造であっても構わないし、複数のアモルファス磁性金属膜を厚み方向に積層した構造であっても構わない。
【００２２】
磁気センサＳは、ｙ方向を長手方向とする可飽和磁性体Ｍに検出コイルＣが巻回された構成を有していることから、ｙ方向の磁界に応じて検出コイルＣのインダクタンスが変化する。つまり、磁気センサＳの感磁方向はｙ方向である。検出コイルＣの両端Ｓ１，Ｓ２は、図示しない検出回路に接続される。
【００２３】
コア２０は、フェライトやパーマロイなどの高透磁率材料からなる環状体であり、測定対象電流Ｉによって発生する磁束の磁路として機能する。コア２０は、磁気センサＳをｘ方向における両側から覆う壁状部２１，２２と、磁気センサＳをｙ方向における両側から覆う壁状部２３，２４からなり、これにより、磁気センサＳはコア２０によってｘ方向及びｙ方向から取り囲まれる。これに対し、コア２０は磁気センサＳをｚ方向から覆う部分を有しておらず、これによりｚ方向に貫通する開口部２０ａが形成される。
【００２４】
バスバーＢは、測定対象電流Ｉが流れる電流経路であり、本実施形態においては第１〜第５の電流経路Ｂ１〜Ｂ５を有している。電流経路Ｂ１，Ｂ２は、コア２０の開口部２０ａをｚ方向に貫通して設けられた部分であり、電流経路Ｂ１は磁気センサＳとコア２０の壁状部２１との間に配置され、電流経路Ｂ２は磁気センサＳとコア２０の壁状部２２との間に配置される。これに対し、電流経路Ｂ３，Ｂ４は、コア２０の開口部２０ａを貫通することなくコア２０の外側に配置された部分であり、電流経路Ｂ３はコア２０の壁状部２１に隣接して配置され、電流経路Ｂ４はコア２０の壁状部２２に隣接して配置される。これにより、コア２０の壁状部２１は、バスバーＢの電流経路Ｂ１，Ｂ３によってｘ方向から挟まれ、コア２０の壁状部２２は、バスバーＢの電流経路Ｂ２，Ｂ４によってｘ方向から挟まれることになる。バスバーＢの電流経路Ｂ５は、電流経路Ｂ１，Ｂ３と電流経路Ｂ２，Ｂ４を接続する部分である。
【００２５】
バスバーＢには、図１に示す入力部Ｂｉｎから出力部Ｂｏｕｔに向かって測定対象電流Ｉが流れる。したがって、入力部Ｂｉｎから測定対象電流Ｉが流れ込むと、測定対象電流Ｉは電流経路Ｂ１，Ｂ３に分岐して流れ、電流経路Ｂ５にて合流した後、電流経路Ｂ２，Ｂ４に分岐して流れ、出力部Ｂｏｕｔにて再び合流する。つまり、電流経路Ｂ１，Ｂ３に流れる測定対象電流Ｉの方向は互いに同じであり、電流経路Ｂ２，Ｂ４に流れる測定対象電流Ｉの方向は互いに同じであり、且つ、電流経路Ｂ１，Ｂ３に流れる測定対象電流Ｉの方向と電流経路Ｂ２，Ｂ４に流れる測定対象電流Ｉの方向は互いに逆である。
【００２６】
このため、バスバーＢに測定対象電流Ｉが流れると、図６に示すように、ｚ方向から見て、バスバーＢの電流経路Ｂ１，Ｂ３からは左回り（反時計回り）の磁束φ１，φ３がそれぞれ発生し、バスバーＢの電流経路Ｂ２，Ｂ４からは右回り（時計回り）の磁束φ２，φ４がそれぞれ発生する。電流経路Ｂ１によって発生する磁束φ１は、コアを左回りに周回するものの、電流経路Ｂ３によって発生する磁束φ３がこれを打ち消すように作用するため、実際にコア２０に流れる磁束φｉは電流経路Ｂ１によって発生する磁束φ１よりも小さくなる。同様に、電流経路Ｂ２によって発生する磁束φ２は、コアを右回りに周回するものの、電流経路Ｂ４によって発生する磁束φ４がこれを打ち消すように作用するため、実際にコア２０に流れる磁束φｉは電流経路Ｂ２によって発生する磁束φ２よりも小さくなる。
【００２７】
図６に示すように、コア２０に流れる磁束φｉが壁状部２３に達すると、壁状部２３のｘ方向における略中央部で磁束φｉがぶつかり、磁気センサＳを構成する可飽和磁性体Ｍに印加される。そして、可飽和磁性体Ｍをｙ方向に通過した磁束φｉは、壁状部２４のｘ方向における略中央部に印加され、左右に分配される。これにより、バスバーＢから生じる磁束φｉが効率よく可飽和磁性体Ｍに印加される。そして、可飽和磁性体Ｍのインダクタンスの変化は、検出コイルＣの両端Ｓ１，Ｓ２に接続された図示しない検出回路によって検出され、これにより、測定対象電流Ｉの電流量が算出される。
【００２８】
そして、磁束φｉは、電流経路Ｂ１，Ｂ２によって発生する磁束φ１，φ２そのものではなく、電流経路Ｂ３，Ｂ４によって発生する磁束φ３，φ４によって磁束φ１，φ２の一部が打ち消されたものであることから、測定対象電流Ｉの電流量が大きい場合であっても、磁束φｉの密度が緩和される。これにより、電流経路Ｂ３，Ｂ４が存在しない場合と比べ、コア２０の磁気飽和が抑制されることから、測定対象電流Ｉの電流量が大きい場合であっても、これを正しく測定することが可能となる。
【００２９】
図７及び図８は、それぞれｘ方向及びｙ方向の外乱磁界が生じた場合における磁束φｘ，φｙの流れを説明するための模式図である。
【００３０】
図７に示すように、ｘ方向の外乱磁界による磁束φｘがコア２０の壁状部２１に与えられた場合、コア２０の壁状部２３，２４には同方向に磁束φｘが流れ、その後、壁状部２２から磁束φｘが抜けていく。また、図８に示すように、ｙ方向の外乱磁界による磁束φｙがコア２０の壁状部２４に与えられた場合、コア２０の壁状部２１，２２には同方向に磁束φｙが流れ、その後、壁状部２３から磁束φｙが抜けていく。このように、本実施形態においては、ｘ方向又はｙ方向の外乱磁界が生じている場合であっても、環状構造を有するコア２０を介して磁束φｘ，φｙがバイパスすることから、外乱磁界による磁束φｘ，φｙが磁気センサＳに印加されることがない。つまり、ｘ方向又はｙ方向の外乱磁界については、コア２０によって効果的にシールドされる。
【００３１】
以上説明したように、本実施形態による電流センサ１１は、バスバーＢの電流経路Ｂ３，Ｂ４から生じる磁束φ３，φ４によって、磁束φ１，φ２の少なくとも一部が打ち消されることから、バスバーＢに流れる測定対象電流Ｉの電流量が大きい場合であっても、環状構造を有するコア２０の磁気飽和が防止される。これにより、大電流の測定対象電流Ｉを測定することが可能となる。
【００３２】
ここで、電流経路Ｂ３，Ｂ４によって生じる磁束φ３，φ４がコア２０に与える影響は、電流経路Ｂ３，Ｂ４の位置、本数、断面積などによって調整することが可能である。
【００３３】
例えば、図９に示す第１設計例のように、コア２０の壁状部２１，２２と電流経路Ｂ１，Ｂ２の距離Ｗ１，Ｗ２よりもコア２０の壁状部２１，２２と電流経路Ｂ３，Ｂ４の距離Ｗ３，Ｗ４を大きくすれば（Ｗ１，Ｗ２＜Ｗ３，Ｗ４）、電流経路Ｂ３，Ｂ４によって生じる磁束φ３，φ４がコア２０に与える影響が相対的に小さくなることから、磁束φ１，φ２のキャンセル量が小さくなる。逆に、図１０に示す第２設計例のように、コア２０の壁状部２１，２２と電流経路Ｂ１，Ｂ２の距離Ｗ１，Ｗ２よりもコア２０の壁状部２１，２２と電流経路Ｂ３，Ｂ４の距離Ｗ３，Ｗ４を小さくすれば（Ｗ１，Ｗ２＞Ｗ３，Ｗ４）、電流経路Ｂ３，Ｂ４によって生じる磁束φ３，φ４がコア２０に与える影響が相対的に大きくなることから、磁束φ１，φ２のキャンセル量が大きくなる。
【００３４】
また、図１１に示す第３設計例のように、電流経路Ｂ１，Ｂ２のｙ方向位置と電流経路Ｂ３，Ｂ４のｙ方向位置をずらしても構わない。この場合、電流経路Ｂ１〜Ｂ４の位置によって電流センサ１１の特性が僅かに変化するため、これによって電流センサ１１の特性を調整することが可能である。
【００３５】
また、図１２に示す第４設計例のように、電流経路Ｂ３，Ｂ４を複数本設けても構わないし、図１３に示す第５設計例のように、電流経路Ｂ１，Ｂ２を複数本設けても構わない。このように、電流経路Ｂ３，Ｂ４の本数を多くすれば磁束φ３，φ４をより強くすることができ、電流経路Ｂ１，Ｂ２の本数を多くすれば磁束φ１，φ２をより強くすることができる。また、電流経路Ｂ３，Ｂ４を複数本設ける場合、図１２に示す第４設計例のようにこれらをｙ方向に配列しても構わないし、図１４に示す第６設計例のようにこれらをｘ方向に配列しても構わない。
【００３６】
さらに、図１５に示す第７設計例のように、電流経路Ｂ１，Ｂ２の径Ｄ１，Ｄ２よりも電流経路Ｂ３，Ｂ４の径Ｄ３，Ｄ４を大きくすれば（Ｄ１，Ｄ２＜Ｄ３，Ｄ４）、電流経路Ｂ３，Ｂ４により多くの電流が流れることから、磁束φ３，φ４がコア２０に与える影響を相対的に大きくすることが可能となる。
【００３７】
このように、本実施形態による電流センサ１１は、電流経路Ｂ１〜Ｂ４の位置、本数、断面積などを調整することによって、磁束φ１〜φ４の発生量や、磁束φ３，φ４による磁束φ１，φ２のキャンセル量などを変化させることができる。このため、設計段階で電流経路Ｂ１〜Ｂ４の位置、本数、断面積などを調整することにより、電流センサ１１の感度や、測定可能な最大電流量などを容易に設計変更することが可能となる。
【００３８】
＜第２の実施形態＞
図１６は、本発明の第２の実施形態による電流センサ１２の構成を示す略斜視図である。
【００３９】
図１６に示すように、本実施形態による電流センサ１２は、バスバーＢに電流経路Ｂ１〜Ｂ５をバイパスする第６の電流経路Ｂ６が設けられている点において、第１の実施形態による電流センサ１１と相違している。その他の構成は第１の実施形態による電流センサ１１と同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００４０】
バスバーＢの電流経路Ｂ６は、電流経路Ｂ１〜Ｂ５に流れる電流の電流量を減らす役割を果たす。そして、バスバーＢに電流経路Ｂ６を設けることにより、電流経路Ｂ１〜Ｂ５に流れる電流の電流量が減ることから、コア２０がより磁気飽和しにくくなる。このため、より大きな測定対象電流Ｉを測定することが可能となる。
【００４１】
図１６に示す例では、電流経路Ｂ６がｘ方向に延在し、これにより電流経路Ｂ５，Ｂ６によって磁気センサＳがｚ方向から挟まれた構成を有している。そして、電流経路Ｂ５，Ｂ６には互いに同じ方向に測定対象電流Ｉが流れることから、電流経路Ｂ５によって発生する磁束と電流経路Ｂ６によって発生する磁束は、互いに打ち消し合うことになる。このため、電流経路Ｂ６を設けることにより、電流経路Ｂ５によって発生する磁束が磁気センサＳに与える影響の少なくとも一部をキャンセルすることが可能となる。
【００４２】
このように、本発明の第２の実施形態は、第１の実施形態と同様、電流経路Ｂ１〜Ｂ４の位置、本数、断面積などを調整することにより、電流センサ１２の感度などを調整することができるとともに、電流経路Ｂ５及びＢ６の太さ、長さなどを調整することにより、電流経路Ｂ５によって発生する磁束の少なくとも一部がキャンセルされることから、より大電流を測定することが可能となる。
【００４３】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００４４】
１１，１２    電流センサ
２０    コア
２０ａ    開口部
２１〜２４    壁状部
Ｂ    バスバー
Ｂ１〜Ｂ６    電流経路
Ｂｉｎ    入力部
Ｂｏｕｔ    出力部
Ｃ    検出コイル
Ｉ    測定対象電流
Ｍ    可飽和磁性体
Ｓ    磁気センサ
Ｓ１，Ｓ２    検出コイルの両端
φ１〜φ４，φｉ，φｘ，φｙ    磁束
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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