(57)【要約】【課題】ダストコアを用いても精度良く測定できる電流センサを提供する。【解決手段】ダストコア（圧粉磁心）によって形成された磁気ヨーク２を使用する電流センサ１において、磁気ヨーク２は、バスバー４に流れる電流によって生じる磁路上にギャップ長を含みつつ、バスバー４を取り囲み、当該ギャップ長を構成するギャップにホール素子３が設けられている。そして、磁路の磁束密度がＢ−Ｈ曲線の直線領域内に制限されるように全磁路長（Ｌｙ＋Ｌｇ）に対するギャップ長（Ｌｇ）の割合が設定されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダストコアによって形成され、導体に流れる電流によって生じる磁路上にギャップ長を含みつつ、当該導体を取り囲む磁気ヨークと、
前記ギャップ長を構成するギャップに設けられるホール素子と、を備え、
前記磁路の磁束密度がＢ−Ｈ曲線の直線領域内に制限されるように全磁路長に対する前記ギャップ長の割合を設定したことを特徴とする電流センサ。
【請求項２】
前記割合は１０％〜３０％の範囲内である請求項１記載の電流センサ。
【請求項３】
前記割合は、前記磁路上の複数個所に設けられたギャップの長さの総和として確保する請求項１又は２に記載の電流センサ。
【請求項４】
前記割合は、鋼板コアによって形成された磁気ヨークの場合より大きく設定され、それにより生じ得る前記ホール素子の相対的な出力低下を、駆動電流増大によって抑制する請求項１〜３のいずれか１項に記載の電流センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ホール素子を用いた電流センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ホール素子を用いた電流センサは、電流が流れる導体を取り囲むように、鋼板（電磁鋼板）で形成された磁気ヨークが設けられ、その磁路上のギャップにホール素子が介挿された構成となっている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−５８４５１号公報（図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のような従来の電流センサに使用される磁気ヨーク用の鋼板は、比較的高価であり、コストダウンのためにダストコア（圧粉磁心）の採用が検討されている。ところが、鋼板に比べてダストコアは飽和磁束密度が低く、そのため、ダストコアを用いた電流センサで電流（特に大電流）を測定しようとすると精度が悪くなる。
【０００５】
かかる従来の問題点に鑑み、本発明は、ダストコアを用いても電流を精度良く測定できる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】
【０００６】
（１）本発明の電流センサは、ダストコアによって形成され、導体に流れる電流によって生じる磁路上にギャップ長を含みつつ、当該導体を取り囲む磁気ヨークと、前記ギャップ長を構成するギャップに設けられるホール素子と、を備え、前記磁路の磁束密度がＢ−Ｈ曲線の直線領域内に制限されるように全磁路長に対する前記ギャップ長の割合を設定した。
上記のように構成された電流センサでは、ホール素子が、Ｂ−Ｈ曲線の直線領域すなわち、直線性に優れた領域で使用されるので、安価なダストコアを用いても精度を損なわずに電流検出を行うことができる。
【０００７】
（２）また、上記（１）の電流センサにおいて、割合は１０％〜３０％の範囲内であることが好ましい。
この場合、ホール素子を、直線性に優れた領域で、かつ、出力が低下し過ぎない範囲で使用することができる。
【０００８】
（３）また、上記（１）又は（２）の電流センサにおいて、割合は、磁路上の複数個所に設けられたギャップの長さの総和として確保することもできる。
この場合、全磁路長に対するギャップ長の割合を複数個所のギャップで確保することができるので、磁気ヨークの形態に関して、ギャップを確保するための種々の設計が可能となる。
【０００９】
（４）また、上記（１）〜（３）のいずれかの電流センサにおいて、割合は、鋼板コアによって形成された磁気ヨークの場合より大きく設定され、それにより生じ得るホール素子の相対的な出力低下を、駆動電流増大によって抑制するようにしてもよい。
ホール素子の出力が低下した場合は、例えば増幅回路の利得を高めて低下を補う必要があるが、そうすると、ノイズも増幅される。しかし、ホール素子の駆動電流を増大すれば、増幅回路の利得を高めなくてもホール素子自身で、出力低下を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の電流センサによれば、ダストコアを用いても電流を精度良く測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】（ａ）は、本発明の一実施形態に係る電流センサの概略図であり、（ｂ）は磁路長を示す図、（ｃ）は磁気抵抗を示す図である。
【図２】磁気回路におけるＢ−Ｈ曲線の一例である。
【図３】ホール素子の付属回路を示す図である。
【図４】Ｂ−Ｈ曲線のヒステリシスを示すグラフであり、（ａ）は比較例として直線性の良くない領域まで使用する場合のヒステリシス特性を示し、（ｂ）は本実施形態の如く直線性の良い領域のみを使用する場合のヒステリシス特性を示している。
【図５】所定の磁気ヨークについて、ギャップ長を種々変化させ、電流検出の精度を決める直線性について調べた結果を示すグラフである。
【図６】複数個所にギャップを設けた磁気ヨークの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１の（ａ）は、本発明の一実施形態に係る電流センサの概略図である。また、（ｂ）は磁路長を示す図、（ｃ）は磁気抵抗を示す図である。
図１において、この電流センサ１は、例えば、ＰＷＭ変調された交流の大電流（例えば数十〜数百アンペア）が流れるバスバー４の電流測定用に設けられるものである。バスバー４は、例えば、電気自動車のインバータとモータとを繋ぐ導体のうちの１本である。
【００１３】
電流センサ１は、磁気ヨーク２と、ホール素子３とを備えている。磁気ヨーク２はダストコア（圧粉磁心）によって形成されている。
（ｂ）に示すように、導体であるバスバー４に流れる電流によって磁路が形成される。全磁路長は、磁気ヨーク２内の磁路長Ｌｙと、ギャップ長（＝ギャップの磁路長）Ｌｇとの和である。すなわち、磁気ヨーク２は、磁路（Ｌｙ＋Ｌｇ）上にギャップ長Ｌｇを含みつつ、バスバー４を図示のように取り囲んでいる。ギャップとなる空間には、ホール素子３が装着される。なお、磁気ヨーク２内の磁路長Ｌｙは、厚み（内周−外周）の中間を通る長さとして定義されるものとする。
【００１４】
ここで、磁気ヨーク２の比透磁率をμｙ、断面積をＳとする。また、ギャップの比透磁率を１とする。なお、ギャップとなる空間領域の、磁路に直交する面積も同様にＳである。真空の透磁率をμ０とすると、磁気ヨーク２のみの磁気抵抗Ｒｙは、
Ｒｙ＝Ｌｙ／（μｙ・μ０・Ｓ）      ・・・（１）
と表される。一方、ギャップの磁気抵抗Ｒｇは、
Ｒｇ＝Ｌｇ／（μ０・Ｓ）      ・・・（２）
と表される。
【００１５】
従って、式（１）、（２）より、磁気回路の総磁気抵抗Ｒは、
Ｒ＝Ｒｙ＋Ｒｇ
＝Ｌｙ／（μｙ・μ０・Ｓ）＋Ｌｇ／（μ０・Ｓ）
＝（Ｌｙ／μｙ＋Ｌｇ）／（μ０・Ｓ）      ・・・（３）
となる。バスバー４を流れる電流によって生じる起磁力をＦとすると、磁気回路内の磁束Φは、
Φ＝Ｆ／Ｒ      ・・・（４）
である。また、磁束密度Ｂは、式（３）、（４）より、
Ｂ＝Φ／Ｓ＝μ０・Ｆ／（Ｌｙ／μｙ＋Ｌｇ）      ・・・（５）
となる。
【００１６】
上記の式（５）より、磁束密度Ｂは、ギャップの磁路長Ｌｇに概ね反比例する。従って、ギャップの磁路長Ｌｇを、鋼板の場合よりも相対的に大きく取ることで、Ｂ−Ｈ曲線における非飽和領域（直線性の良い領域）を使用することができる。具体的には、鋼板の磁気ヨークの場合は通常、Ｌｇ／（Ｌｙ＋Ｌｇ）が約５％と、比較的小さい値であるのに対して、上記実施形態の場合はＬｇ／（Ｌｙ＋Ｌｇ）が１０％以上で３０％以下の、比較的大きい値とする。
【００１７】
図２は、磁気回路におけるＢ−Ｈ曲線の一例である。電流増大に伴って磁界Ｈが強くなるほど磁束密度Ｂも増大する。このとき、領域Ａ１では、Ｂ−Ｈ曲線はほぼ直線で、Ｂ−Ｈは比例関係にある。しかし、磁束密度Ｂは、値Ｂ１を超えると勾配が鈍化し、値Ｂ２で飽和する。従って、領域Ａ２では直線性が損なわれる。ギャップが小さい（例えば５％）場合、磁束密度Ｂが領域Ａ２にまで達するので、直線性が良くない領域Ａ２でもホール素子３は電流検出を行うことになり、結果的に検出の精度が悪くなる。一方、ギャップが大きい（１０％以上）場合、測定対象が同じ電流範囲であっても磁束密度Ｂは領域Ａ２に到達せず、領域Ａ１にとどまる。従って、ホール素子３は、直線性の良い領域Ａ１でのみ電流検出を行うことになり、検出の精度が良い。
【００１８】
ダストコアの場合、Ｌｇ／（Ｌｙ＋Ｌｇ）が１０％以上であれば、確実に、直線性の良い領域でホール素子３を使用することができる。１０％に満たない場合は、磁束密度ＢがＢ１を超えて領域Ａ２に入る可能性がある。５％では確実に領域Ａ２に入り、最大電流に対しては磁気飽和に至る。なお、ギャップの割合が全磁路長の３０％を超える場合には、ホール素子３の出力が低下し過ぎて好ましくない。
【００１９】
図３は、ホール素子３の付属回路（又は周辺回路）を示す図である。ホール素子３では、磁束密度Ｂ、駆動回路３１による駆動電流ＩＣ、出力電圧ＶＨが、方向性において互いに直交する関係にある。出力電圧ＶＨは、増幅回路３２によって増幅される。磁束密度Ｂの方向へのホール素子３の厚さをｄ、電子の電荷をｅ、ホール素子３を構成する半導体のキャリア密度をｎ、ホール係数をＲＨとすると、
ＲＨ＝１／（ｅ・ｎ）      ・・・（６）
ＶＨ＝（ＲＨ／ｄ）・ＩＣ・Ｂ      ・・・（７）
となる。
【００２０】
上記の式（７）において、ホール係数ＲＨ及び厚さｄは共に定数となるので、出力電圧ＶＨは、駆動電流ＩＣと磁束密度Ｂとの積に比例する。駆動電流ＩＣが一定で、ギャップを大きくすることによって磁束密度Ｂが低下すると出力電圧ＶＨが低下するが、ギャップを大きく取っても、駆動電流ＩＣを増大させることによって、出力電圧ＶＨの低下を抑制することができる。
【００２１】
なお、ギャップを大きく取った場合に、駆動電流ＩＣを増大させることなく、増幅回路３２の利得を大きくすることによっても所要の出力を得ることは可能であるが、この場合、増幅回路３２への入力に混入するノイズも増幅することになるので、その点でも、駆動電流ＩＣを増大させることが好ましい。
また、ホール素子３の半導体の種類としては、例えば、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、Ｓｉ、ＧａＡｓがある。温度に対する出力電圧ＶＨの安定性の観点では、ＧａＡｓが好適である。
【００２２】
図４は、Ｂ−Ｈ曲線のヒステリシスを示すグラフであり、（ａ）は比較例として直線性の良くない領域まで使用する場合のヒステリシス特性を示し、（ｂ）は本実施形態の如く直線性の良い領域のみを使用する場合のヒステリシス特性を示している。（ａ）の場合、磁気飽和の影響により、ヒステリシスループは大きくなる。これに対して、（ｂ）の場合、磁気飽和しないので、ヒステリシスループは小さくなる。（ａ）のヒステリシス［％］を（Ｂｒ１／Ｂｍ１）、（ｂ）のヒステリシス［％］を（Ｂｒ２／Ｂｍ２）とすると、
（Ｂｒ１／Ｂｍ１）＞（Ｂｒ２／Ｂｍ２）
であり、ギャップを大きく取ることによりヒステリシスは改善される。
【００２３】
ここで、所定の磁気ヨークについて、ギャップ長を種々変化させ、電流検出の精度を決める直線性と、ヒステリシスとについて調べた結果を、図５のグラフ及び表１に示す。ギャップ長は、３ｍｍから８ｍｍまで１ｍｍずつ変化させた。これらのギャップ長の、全磁路長に対する割合は、以下の通りである。
【００２４】
３ｍｍ  →４．６６％
４ｍｍ  →６．２１％
５ｍｍ  →７．７６％
６ｍｍ  →９．３２％
７ｍｍ  →１０．８７％
８ｍｍ  →１２．４２％
【００２５】
図５において、横軸は電流を示し、縦軸はホール素子３による電流検出のフルスケールに対する誤差すなわち、直線性に対する誤差［％］を示している。グラフにより明らかなように、直線性は、３ｍｍの場合が最も悪く、ギャップ長が増大するほど直線性が良くなり、３〜８ｍｍの範囲では、８ｍｍの場合が最も良い、という結果となっている。
【００２６】
【表１】
2013079862.tif 000003
【００２７】
また、上記の表１より、ヒステリシスに関しても、３〜８ｍｍの範囲では、８ｍｍの場合が最も良い結果となっている。磁束密度Ｂはギャップ長が長いほど小さくなるので、前述のように、ホール素子３の駆動電流ＩＣを増大して出力電圧ＶＨを確保することが必要である。
【００２８】
以上のように、本実施形態に係る電流センサ１では、ホール素子３が、Ｂ−Ｈ曲線の直線領域すなわち、直線性に優れた領域で使用されるので、安価なダストコアを用いても精度を損なわずに電流検出を行うことができる。従って、ダストコアを用いても精度良く測定できる電流センサ１を提供することができる。
【００２９】
なお、ギャップ長は、必ずしも一個所で確保しなくてもよい。図６は、複数個所にギャップを設けた磁気ヨーク２の一例を示す図である。この場合、ギャップ長は、（Ｌｇ１＋Ｌｇ２）となる。すなわち、全磁路長に対するギャップ長の割合は、磁路上の複数個所に設けられたギャップの長さの総和として確保することができる。これにより、磁気ヨーク２の形態に関して、ギャップを確保するための種々の設計が可能となる。
【００３０】
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００３１】
１  電流センサ
２  磁気ヨーク
３  ホール素子
４  バスバー（導体）
（Ｌｙ＋Ｌｇ）  全磁路長
Ｌｇ  ギャップ長
【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】
2013079862.tif 000008
【図６】
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