(57)【要約】【課題】コストを抑制すると共に小型化す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、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、検出対象の電流２が流れるバスバ３と、バスバ３を包囲すると共に一部にギャップ４０が形成されたコア４と、コア４のギャップ４０に配置され、バスバ３に流れる電流２に伴って発生するギャップ４０の磁束２５を検出すると共にコア４内の磁束２５が磁気飽和する領域では非線形な検出信号Ｓ１を出力するホール素子５４と、ホール素子５４から出力される非線形な検出信号Ｓ１を線形な変換信号Ｓ２に変換する制御部５５と、を備えて概略構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出対象の電流が流れるバスバと、
前記バスバを包囲すると共に一部に切り欠きが形成されたコアと、
前記コアの前記切り欠きに配置され、前記バスバに流れる前記電流に伴って発生する前記切り欠きの磁束を検出すると共に前記コア内の磁束が磁気飽和する領域では非線形な検出信号を出力する磁気検出素子と、
前記磁気検出素子から出力される前記非線形な検出信号を線形な変換信号に変換する変換部と、
を備えた電流センサ。
【請求項２】
前記変換部は、前記非線形な検出信号を増幅することにより前記線形な変換信号に変換する、
請求項１に記載の電流センサ。
【請求項３】
前記変換部は、前記非線形な検出信号と、前記非線形な検出信号を前記線形な変換信号に変換するための増幅率と、を対応付けたテーブルを有する、
請求項１又は２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、電流センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の技術として、被測定電流線を流れる電流が起こす起磁界の変化に対する線形性は高いが、起磁界の増加に対する磁束の飽和値が小さい第１の磁性体と、線形性は低いが磁束の飽和値が大きい第２の磁性体と、が重ね合わされて構成された電流センサ用磁気コアが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
この電流センサ用磁気コアは、第１の磁性体が、ニッケル含有量が多いパーマロイであり、第２の磁性体が、ニッケル含有量が少ないパーマロイである。従って電流センサ用磁気コアは、飽和磁束密度が大きく、かつ線形性の良い性質を呈する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−５８４５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の電流センサ用磁気コアは、コストが高い複数の磁性体を重ね合わせて形成されるので、この電流センサ用磁気コアを用いて電流センサを製造した場合、単一の磁性体から製造されたコアを用いた電流センサよりも製造コストが増加する問題がある。また電流センサにおいて、体格が大きいのは、コアであり、コアを小型化することにより電流センサを小型化することができる。しかし、コストを抑制しつつコアを小型化すると、磁気検出素子から出力される検出信号の線形な領域で検出される電流は、小さくなる問題がある。
【０００６】
従って、本発明の目的は、コストを抑制すると共に小型化することができる電流センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様は、検出対象の電流が流れるバスバと、バスバを包囲すると共に一部に切り欠きが形成されたコアと、コアの切り欠きに配置され、バスバに流れる電流に伴って発生する切り欠きの磁束を検出すると共にコア内の磁束が磁気飽和する領域では非線形な検出信号を出力する磁気検出素子と、磁気検出素子から出力される非線形な検出信号を線形な変換信号に変換する変換部と、を備えた電流センサを提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、コストを抑制すると共に小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１（ａ）は、実施の形態に係る電流センサの斜視図であり、図１（ｂ）は、電流センサのブロック図である。
【図２】図２（ａ）は、実施の形態に係る電流センサのバスバに流れる電流の電流値とコアのギャップにおける磁束密度との関係を示すグラフであり、図２（ｂ）は、検出信号を線形化するための増幅率とギャップの磁束密度との関係を示すグラフであり、図２（ｃ）は、ホールＩＣ（Integrated Circuit）から出力される変換信号のグラフである。
【図３】図３は、実施の形態に係る電流センサの動作に関するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（実施の形態の要約）
実施の形態に係る電流センサは、検出対象の電流が流れるバスバと、バスバを包囲すると共に一部に切り欠きが形成されたコアと、コアの切り欠きに配置され、バスバに流れる電流に伴って発生する切り欠きの磁束を検出すると共にコア内の磁束が磁気飽和する領域では非線形な検出信号を出力する磁気検出素子と、磁気検出素子から出力される非線形な検出信号を線形な変換信号に変換する変換部と、を備えて概略構成されている。
【００１１】
この電流センサは、コアが磁気飽和して磁気検出素子から出力される非線形な検出信号を変換部により線形な変換信号に変換するので、線形な検出信号を得るため、磁気飽和しないようにコアを大きくする場合と比べて、コアを小さくすることができてコストを抑制すると共に小型化することができる。
【００１２】
[実施の形態]
（電流センサ１の構成）
図１（ａ）は、実施の形態に係る電流センサの斜視図であり、図１（ｂ）は、電流センサのブロック図である。なお、以下に記載する実施の形態に係る各図において、図形間の比率は、実際の比率とは異なる場合がある。また図１（ｂ）では、主な信号の流れを矢印で示している。
【００１３】
電流センサ１は、例えば、車両のバッテリの電流値を、後述するバスバに流れる電流により発生する磁場の磁束を検出することで間接的に測定するものである。この電流センサ１は、バッテリの負電極の近傍に配置される。なお電流センサ１は、例えば、直流電流を測定する用途に使用可能である。
【００１４】
この電流センサ１は、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、検出対象の電流２が流れるバスバ３と、バスバ３を包囲すると共に一部に切り欠きとしてのギャップ４０が形成されたコア４と、コア４のギャップ４０に配置され、バスバ３に流れる電流２に伴って発生するギャップ４０の磁束２５を検出すると共にコア４内の磁束２５が磁気飽和する領域では非線形な検出信号Ｓ１を出力する磁気検出素子と、磁気検出素子から出力される非線形な検出信号Ｓ１を線形な変換信号Ｓ２に変換する変換部としての制御部５５と、を備えて概略構成されている。
【００１５】
磁気検出素子は、一例として、ホール素子５４であるが、これに限定されず、バスバ３を流れる電流２が形成する磁場２０を検出する磁気抵抗素子等であっても良い。このホール素子５４は、制御部５５と共にホールＩＣ５としてチップ化されている。
【００１６】
（バスバ３の構成）
バスバ３は、例えば、車両のバッテリの負電極に電気的に接続される。このバスバ３は、例えば、図１（ａ）に示すように、銅、銅合金又は黄銅等の導電性を有する金属材料を用いて円柱形状に形成されたものである。なおバスバ３の形状は、円柱形状に限定されず、細長く形成された板形状等であっても良い。
【００１７】
このバスバ３には、図１（ａ）の紙面右から左に向かって電流２が流れている。この電流２により、バスバ３の周りには、図１（ａ）の紙面において反時計回りの磁場２０が発生している。なお電流２が図１（ａ）の紙面左から右に向かって流れる場合、磁場２０がバスバ３を中心に時計回りに発生する。以下では、電流２が図１（ａ）の紙面右から左に流れる方向を第１の方向、電流２が左から右に流れる方向を第２の方向と記載する。
【００１８】
（コア４の構成）
コア４は、例えば、板状の複数の環状コアが重ねられて形成されている。コア４は、例えば、パーマロイ、電磁鋼板、フェライト等の軟磁性体材料を用いて形成される。
【００１９】
このコア４は、環形状を有し、一部に切り欠きであるギャップ４０が設けられている。このギャップ４０は、端面４１と端面４２とが平行になると共に対向しており、一方の端面から磁束２５が湧き出し、他方の端面に吸い込まれている。
【００２０】
またコア４は、貫通孔４３を有し、貫通孔４３には、バスバ３が挿入されている。なおコア４の形状は、環状に限定されず、馬蹄型等であっても良い。
【００２１】
コア４の内部には、バスバ３に流れる電流２が生成する磁場２０に基づいて磁束２５が発生している。この磁束２５の向きは、図１（ａ）の紙面において反時計回りである。従って磁束２５は、コア４の端面４１から湧き出し、端面４２に吸い込まれる。
【００２２】
ホールＩＣ５は、磁束２５がホール素子５４の検出面を垂直方向から貫通するようにギャップ４０に配置される。なお電流２が第２の方向に流れる場合、磁束２５の方向は、図１（ａ）の紙面において時計回りであり、端面４２から湧き出し、端面４１に吸い込まれる。
【００２３】
（ホールＩＣ５の構成）
図２（ａ）は、実施の形態に係る電流センサのバスバに流れる電流の電流値とコアのギャップにおける磁束密度との関係を示すグラフであり、図２（ｂ）は、検出信号を線形化するための増幅率とギャップの磁束密度との関係を示すグラフであり、図２（ｃ）は、ホールＩＣから出力される変換信号のグラフである。図２（ａ）は、縦軸がバスバ３を流れる電流２の電流値であり、横軸がギャップ４０の磁束密度である。また図２（ａ）に示す点線の曲線は、変換前の特性曲線６であり、実線の曲線は、変換後の特性曲線７である。図２（ｂ）は、縦軸が増幅率であり、横軸が磁束密度である。図２（ｃ）は、縦軸が出力電圧であり、横軸がバスバ３に流れる電流２の電流値である。
【００２４】
ホールＩＣ５は、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、本体５０と、端子群５２と、ホール素子５４と、制御部５５と、を備えて構成されている。本体５０は、端子群５２の一部とホール素子５４、及び制御部５５等が樹脂によって封止されることで形成されている。この樹脂による封止は、例えば、エポキシ樹脂を主成分に、シリカ充填材等を加えた熱硬化性成形材料を用いて行われる。
【００２５】
端子群５２は、例えば、ＧＮＤと電気的に接続される端子、電流センサ１が動作するのに必要な電圧Ｖが供給される端子、及び変換信号Ｓ２を出力する端子を備えている。この端子群５２は、例えば、金、銅等の導電性を有する金属材料、又はその合金材料を用いて形成される。端子群５２は、例えば、細長い板形状を有するが、これに限定されず、円柱形状等であっても良い。
【００２６】
ホール素子５４は、ホール効果を利用してギャップ４０の磁束２５に応じた検出信号Ｓ１を出力する。このギャップ４０における磁束２５は、ほぼ垂直にホール素子５４の検出面を貫通するので、ホール素子５４は、ギャップ４０の磁束密度に応じた検出信号Ｓ１を出力する。
【００２７】
制御部５５は、例えば、記憶されたプログラムに従って演算、加工等を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、半導体メモリであるＲＡＭ（Random Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）等から構成されるマイクロコンピュータである。このＲＯＭには、例えば、制御部５５が動作するためのプログラムが格納されている。ＲＡＭは、例えば、一時的に演算結果等を格納する記憶領域として用いられる。
【００２８】
制御部５５は、非線形な検出信号Ｓ１を増幅することにより線形な変換信号Ｓ２に変換するように構成されている。また制御部５５は、非線形な検出信号Ｓ１と、非線形な検出信号Ｓ１を線形な変換信号Ｓ２に変換するための増幅率と、を対応付けた変換テーブル５５０を有している。
【００２９】
ここでコア４が磁気飽和するような大きな電流２がバスバ３に流れると、図２（ａ）に示すように、電流値が増加するに従って特性曲線６が非線形となる磁気飽和領域４７が発生する。なお電流２が第１の方向に流れる場合、図２（ａ）の電流値が正であり、電流２が第２の方向に流れる場合、電流値が負となっている。つまり、図２（ａ）は、右側と左側とでは、バスバ３を流れる電流２の向きが逆向きとなっている。
【００３０】
コア４が磁気飽和していない場合、バスバ３を流れる電流２の電流値とコア４のギャップ４０の磁束密度との関係は、図２（ａ）に線形領域４６として示すように、線形となる。この線形領域４６を利用して電流センサを構成する場合、測定可能な電流値は、線形領域４６内の電流値である。従って当該電流値以上の電流値を測定したい場合は、コアが磁気飽和しないように材料を変更したり、コアを大きくしたりする必要がある。
【００３１】
しかし、制御部５５は、磁気飽和領域４７の非線形となる特性曲線６を線形の特性曲線７とするため、磁気飽和領域４７の特性曲線６を図２（ｂ）に示す増幅率曲線８に従って増幅する。
【００３２】
具体的には、増幅率曲線８は、図２（ｂ）に示すように、線形領域４６においては、増幅する必要がないので増幅率が１となっている。また増幅率曲線８は、磁気飽和領域４７においては、図２（ａ）に示すように、線形領域４６の電流値の増加率と比べて増加率が緩やかとなっているので、電流値の増加率が緩やかになった分を打ち消すように増幅する曲線となっている。その結果、図２（ｃ）に示すように、バスバ３に流れる電流２の電流値とホールＩＣ５から出力される出力電圧との関係が線形となり、変換信号Ｓ２が線形となる。
【００３３】
変換テーブル５５０は、線形領域４６における増幅率を１とすると共に、磁気飽和領域４７における磁束密度と増幅率とを対応させて格納している。この磁束密度は、ホール素子５４が検出した磁束密度であり、増幅率は、当該磁束密度と増幅率曲線８によって定まる。
【００３４】
制御部５５は、一例として、変換信号Ｓ２を車両の車両制御部に出力するように構成されている。
【００３５】
以下に、本実施の形態に係る電流センサ１の動作について、図３のフローチャートに従って説明する。
【００３６】
車両の電源が投入されると、電流センサ１の制御部５５は、ホール素子５４から検出信号Ｓ１を取得する（Ｓ１）。
【００３７】
制御部５５は、取得した検出信号Ｓ１と変換テーブル５５０とを比較し、コア４が磁気飽和していると判定すると（Ｓ２：Ｙｅｓ）、変換テーブル５５０に基づいた増幅率で増幅して変換信号Ｓ２を生成する（Ｓ３）。
【００３８】
制御部５５は、変換した変換信号Ｓ２を車両の車両制御部に出力する（Ｓ４）。
【００３９】
ここでステップ２において、制御部５５は、コア４が磁気飽和していないと判定すると（Ｓ２：Ｎｏ）、増幅率が１なので、検出信号Ｓ１を変換信号Ｓ２として車両の車両制御部に出力する（Ｓ５）。
【００４０】
（実施の形態の効果）
本実施の形態に係る電流センサ１は、コストを抑制すると共に小型化することができる。具体的には、電流センサ１は、コア４が磁気飽和してホール素子５４から出力される非線形な検出信号Ｓ１を制御部５５により線形な変換信号Ｓ２に変換することができる。従って電流センサ１は、線形な検出信号を得るため、磁気飽和しないようにコアを大きくする場合と比べて、コア４を小さくすることができてコストを抑制すると共に小型化することができる。
【００４１】
電流センサ１は、磁気飽和領域４７を利用することで、外乱磁場による検出精度の低下が考えられるが、磁気飽和領域４７におけるギャップ４０の磁束密度よりも外乱磁場による磁束密度の方が小さいので、ホール素子５４の検出精度の低下が抑制される。
【００４２】
上述の実施の形態に係る電流センサ１は、例えば、用途に応じて、その一部が、コンピュータが実行するプログラム、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）及びＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等によって実現されても良い。
【００４３】
なお、ＡＳＩＣとは、特定用途向け集積回路であり、ＦＰＧＡとは、プログラミングすることができるＬＳＩ（大規模集積回路：Large Scale Integration）である。
【００４４】
以上、本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、一例に過ぎず、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。これら新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更等を行うことができる。また、これら実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない。さらに、これら実施の形態は、発明の範囲及び要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４５】
１…電流センサ、２…電流、３…バスバ、４…コア、５…ホールＩＣ、６…特性曲線、７…特性曲線、８…増幅率曲線、２０…磁場、２５…磁束、４０…ギャップ、４１…端面、４２…端面、４３…貫通孔、４６…線形領域、４７…磁気飽和領域、５０…本体、５２…端子群、５４…ホール素子、５５…制御部、５５０…変換テーブル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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