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JP2005283451A - 電流測定装置および電流測定方法 - Google Patents

電流測定装置および電流測定方法 Download PDF

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JP2005283451A
JP2005283451A JP2004100182A JP2004100182A JP2005283451A JP 2005283451 A JP2005283451 A JP 2005283451A JP 2004100182 A JP2004100182 A JP 2004100182A JP 2004100182 A JP2004100182 A JP 2004100182A JP 2005283451 A JP2005283451 A JP 2005283451A
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Koji Shibahara
浩二 芝原
Norihiko Mikoshiba
憲彦 御子柴
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Asahi Kasei Electronics Co Ltd
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Abstract

【課題】周囲の磁場の影響を受けずに被電流導体に流れる電流の大きさを正確に測定することが出来る小型軽量で量産性に優れた電流測定装置及び電流測定方法を提供する。
【解決手段】2本の被測定電流導体1a、1b間の近傍に、被測定電流I1、I2によって生じる磁界の強さをそれぞれ検出するための2個の磁気検出手段2a、2bを配置し、その2個の磁気検出手段2a、2bで得られた各検出信号の差を取ることで、2本の被測定電流導体1a、1bに流れる被測定電流I1、I2の大きさを求める。
【選択図】 図1

Description

本発明は電流測定装置および電流測定方法に関し、特に、長手方向に対して平行に設置される2本の被測定電流導体に流れる電流の大きさを測定する方法に適用して好適なものである。
従来、導体に流れる電流を測定する電流測定装置(電流センサ)として、被測定電流導体の周囲に発生する磁界を検出する方法が知られている。
図6は、従来の磁気コアを用いた電流測定装置の構成を示す模式図である。
図6において、リング状の磁気コア52で囲まれるように、被測定電流が流れる被測定電流導体51が配置されている。ここで、磁気コア52にはギャップが設けられ、磁気コア52のギャップ部分には、ホール素子53などの磁気センサが挿入されている。
そして、ホール素子53には直流電源56が接続され、ホール素子53に直流電圧を印加することにより、制御電流Icが流れるようになっている。そして、ホール素子53からはホール電圧VHが出力され、そのホール電圧VHが増幅器54で増幅される。そして、増幅器54の出力電圧を電圧計55で測定することにより、被測定電流導体51に流れる被測定電流Iを計測することができる。ここで、ホール電圧VHは、被測定電流導体51に流れる被測定電流Iに比例するため、電圧計55の測定値は、被測定電流導体51に流れる被測定電流Iに比例した値となる。
また、特許文献1〜3には、被測定電流導体と一体化された電流測定装置が開示されている。
図7は、従来の被測定電流導体と一体化された電流測定装置の一例を示す模式図である。
図7において、被測定電流導体61の近傍にはホール素子65などの磁気センサが配置されている。また、被測定電流導体61に被測定電流Iを流すための端子63a、63bが設けられるとともに、ホール素子65の電極が接続される端子62が設けられている。そして、被測定電流導体61、端子62、63a、63bおよびホール素子65はパッケージ64で一体的に形成されている。そして、被測定電流導体61に被測定電流Iが流れると、被測定電流Iにより発生した磁場をホール素子65で検出することにより、被測定電流導体61に流れる被測定電流Iの値を計測することができる。
また、特許文献4〜7には、外来ノイズをキャンセルし耐ノイズ性を向上させるために、被測定電流導体の中心に対して磁気センサを等間隔で対向する位置に配置する方法が開示されている。
図8は、従来の被測定電流導体の中心に対して等間隔で対向する位置に磁気センサが配置された電流測定装置の一例を示す模式図である。
図8において、被測定電流導体72は、基板73の貫通穴を通して基板73に垂直に配置されている。ここで、基板73上には磁気センサ71a、71bが設けられ、磁気センサ71a、71bは被測定電流導体72の中心に対して等間隔で対向する位置に配置されている。そして、磁気センサ71a、71bは、磁気センサ71a、71bの検出信号の差を検出する検出回路74に接続されている。そして、両磁気センサ71a、71bの検出信号の差を検出回路74によって検出することにより、外来ノイズをキャンセルしつつ、被測定電流導体72に流れる被測定電流Iの値を計測することができる。
特開2000−249725号公報 特開2001−165963号公報 特開2001−174486号公報 特公平8−3499号公報 特表平3−503930号公報 特開2001−153895号公報 特開2002−243766号公報
しかしながら、図6の電流測定装置では、2本の被測定電流導体に流れる電流の総量を測定しようとすると、2本の被測定電流導体の周囲に磁気コアを配置する必要がある。このため、被測定電流導体を磁気コアに通すことが必須となり、電流測定装置の配置のために被測定電流導体のレイアウトに制限を受け、装置全体の大型化が避けられないという問題があった。特に、被測定電流の電流値が大きくなると、磁気コアの発熱や磁気飽和を避けるために、磁気コアのサイズが一層大きなものとなり、装置全体が大型化する上に、重量化するという問題があった。
また、図7の電流測定装置では、構成部品がパッケージ内に一体化された電流測定装置で2本の被測定電流導体に流れる電流を測定すると、2本の被測定電流導体を切断し、その被測定電流導体の途中に電流測定装置を挿入する必要がある。このため、この挿入に伴って接続部分が発生し、その接続部分の接触抵抗による損失および発熱が起こるという問題があった。しかも、図7の電流測定装置では、被測定電流によらない周囲の磁場(例えば周囲に存在する別の電線に流れる電流によって生じる磁場等)の影響を受ける場合があり、電流測定装置が接続された特定の導体に流れる電流の測定精度が劣化するという問題があった。
また、図8の電流測定装置では、図6および図7の電流測定装置における重量増加の問題や、発熱や周囲の磁場の影響などの不具合は解決することができるが、2つの磁気センサ71a、71bを正確に等間隔で対向させる必要があるため、例えば、基板73などの磁気センサ71a、71bの位置合わせ冶具を必要とし、小型化が困難であるという問題があった。また、2つの磁気センサ71a、71bの微妙な位置ズレが性能を左右するので、量産性が良くないという問題があった。
そこで、本発明の目的は、装置全体の小型軽量化を可能としつつ、2本の被測定電流導体に流れる電流総量の測定精度を向上させることが可能な電流測定装置および電流測定方法を提供することにある。
上述した課題を解決するために、請求項1記載の電流測定装置によれば、長手方向に対して平行に設置される2本の被測定電流導体に同方向に流れる電流によって生じる磁界が互いに逆向きに貫通するように感磁面がそれぞれ配置された2個の磁気検出手段と、前記2個の磁気検出手段から得られる検出信号の差分を算出する差分算出手段とを備えることを特徴とする。
また、請求項2記載の電流測定装置によれば、前記磁気検出手段は、前記2本の被測定電流導体間に感磁面の向きが互いに一致するように配置されていることを特徴とする。
また、請求項3記載の電流測定装置によれば、前記2本の被測定電流導体をさらに備えることを特徴とする。
また、請求項4記載の電流測定装置によれば、前記2本の被測定電流導体は、貫通スリットが設けられた1本の被測定電流導体の貫通スリットの両側の導体部分で構成されていることを特徴とする。
また、請求項5記載の電流測定装置によれば、前記2個の磁気検出手段のうち、一方の磁気検出手段は前記被測定電流導体表面側の貫通スリットの上部の所定の位置に配置され、他方の磁気検出手段は前記被測定電流導体裏面側の貫通スリットの下部の所定の位置に配置されていることを特徴とする。
また、請求項6記載の電流測定装置によれば、前記2個の磁気検出手段のうち、一方の磁気検出手段は前記被測定電流導体の貫通スリットの中央部に配置され、他方の磁気検出手段は前記被測定電流導体の表面側または裏面側のどちらか一方において、前記貫通スリットの上部または下部の所定の位置に配置されていることを特徴とする。
また、請求項7記載の電流測定装置によれば、前記2個の磁気検出手段は、前記被測定電流導体表面側または裏面側のどちらか一方において、前記貫通スリット両端部の所定の位置に被測定電流が流れる方向と直交する方向にそれぞれ並べて配置されていることを特徴とする。
また、請求項8記載の電流測定装置によれば、記2個の磁気検出手段は、前記貫通スリット内部の所定の位置に被測定電流が流れる方向と直交する方向にそれぞれ並べて配置されていることを特徴とする。
また、請求項9記載の電流測定装置によれば、前記2個の磁気検出手段のうち、一方の磁気検出手段は前記貫通スリットの中央部に配置されていることを特徴とする。
また、請求項10記載の電流測定装置によれば、前記2個の磁気検出手段は磁電変換素子であることを特徴とする。
また、請求項11記載の電流測定装置によれば、前記磁電変換素子はホール素子であることを特徴とする。
また、請求項12記載の電流測定方法によれば、長手方向に対して平行に設置される2本の被測定電流導体に同方向に流れる電流によって生じる磁界が感磁面を互いに逆向きにそれぞれ貫通するように2個の磁気検出手段を配置するステップと、前記2個の磁気検出手段から得られる検出信号の差分を算出するステップとを備えることを特徴とする。
以上説明したように、本発明によれば、長手方向に平行に配置された2本の被測定電流導体に同一方向に流れる電流総量を測定するために、被測定電流によって生じる磁界の強さを検出するための2個の磁気検出手段を2本の被測定電流導体間の近傍に配置し、その2個の磁気検出手段で得られた各検出信号の差を取ることで、2本の被測定電流導体に流れる電流の大きさを求めるようにした。
これにより、従来のように被測定電流導体の周囲を囲む磁気コアを不要とすることができ、電流測定装置の小型軽量化を実現できる上、電源ラインなどの被測定電流が流れる一部を切断し、その切断部に専用電流導体を挿入して使用する必要がない場合には、その挿入に伴う電気的な接続部分が発生せず、その接続部分の接触抵抗による損失および発熱の恐れをなくすことができる。
また、本発明によれば、2個の磁気検出手段から得られる検出信号の差分を算出することにより、被測定電流が流れることで生じる磁場以外の周囲の磁場の影響をキャンセルすることができ、その被測定電流導体に流れる電流の大きさを正確に測定することができる。
さらには、本発明によれば、被測定電流が流れることで生じる磁場以外の周囲の磁場の影響をキャンセルさせるために、2本の被測定電流導体間に感磁面の向きが互いに一致するように2個の磁気検出手段を配置すればよい。このため、2個の磁気検出手段を正確に等間隔で対向させる必要がなくなり、被測定電流導体に対する磁気センサ配置や位置決めを容易化することが可能となるとともに、量産性を向上させることができる。
以下、本発明の実施形態に係る電流測定装置および電流測定方法について図面を参照しながら説明する。
図1(a)は本発明の第1実施形態に係る電流測定装置の概略構成を示す斜視図、図1(b)は図1(a)の側面図、図1(c)は図1(a)の正面図である。
図1において、電流測定装置には、磁気検出手段である2個の磁気検出部2a、2bが設けられるとともに、2本の被測定電流導体1a、1bが配置されている。なお、磁気検出部2a、2bとしては磁電変換素子を用いることができ、磁電変換素子としては、例えば、ホール素子を使用することができる。
ここで、被測定電流導体1a、1bは長手方向に対して平行に設置され、被測定電流I1、I2が被測定電流導体1a、1bを同一方向にそれぞれ流れることができる。また、被測定電流導体1a、1bは、横断面形状が円形で全体が直線状の導体から構成することができる。
また、磁気検出部2a、2bは、被測定電流導体1a、1bに同方向にそれぞれ流れる被測定電流I1、I2によって生じる磁界が互いに逆向きに感磁面を貫通するようにそれぞれ配置することができる。すなわち、2本の被測定電流導体1a、1b間に感磁面の向きが互いに一致するように磁気検出部2a、2bを配置することができ、例えば、被測定電流導体1a、1b間の空隙を挟んで、その空隙の上部と下部にそれぞれ配置することができる。さらに、磁気検出部2a、2bは、図1のように互いに離れていてもよいし、被測定電流導体1a、1bの長さ方向に直交する方向で、同じ位置であっても良い。
そして、磁気検出部2a、2bは、被測定電流導体1a、1bにそれぞれ被測定電流I1、I2が流れることによって各所定位置に生じる磁界の強さ(大きさ)をそれぞれ検出し、この検出強度に応じた検出信号を出力する。ここで、2個の磁気検出部2a、2bで得られた各検出信号の差を取ることで、磁気検出部2a、2bに外来磁場BEXTが入射する場合においても、磁気検出部2a、2bで捕捉される外来磁場BEXTをキャンセルさせることを可能としつつ、2本の被測定電流導体1a、1bに同一方向に流れる電流総量を測定することができ、2本の被測定電流導体1a、1bに流れる電流の大きさを正確に測定することができる。
また、被測定電流I1、I2が流れることで生じる磁場以外の周囲の外来磁場BEXTの影響をキャンセルさせるために、2本の被測定電流導体1a、1b間に感磁面の向きが互いに一致するように2個の磁気検出部2a、2bを配置すればよい。このため、2個の磁気検出部2a、2bを正確に等間隔で対向させる必要がなくなり、被測定電流導体1a、1bに対する磁気検出部2a、2bの配置や位置決めを容易化することが可能となるとともに、量産性を向上させることができる。
なお、被測定電流導体1a、1bは、電流測定装置の構成要件になる場合とならない場合とがある。すなわち、被測定電流導体1a、1bが電流測定装置の構成要件となる場合には、被測定電流I1、I2が流れる電流経路の2本の導体(図示せず)が途中で切断され、その各切断部に被測定電流導体1a、1bが挿入されるとともに、その被測定電流導体1a、1bの各両端がその各切断部と電気的に接続され、このような状態で使用されることになる。
一方、測定電流導体1a、1bが電流測定装置の構成要件とならない場合には、被測定電流導体1a、1bは、被測定電流I1、I2が流れる電流経路の2本の導体自身となる。従って、電流測定装置は磁気検出部2a、2bから構成することができ、磁気検出部2a、2bが測定電流導体1a、1bの電流経路の一部に組み込まれ、この組み込まれた状態で使用されることになる。
これにより、従来のように被測定電流導体1a、1bの周囲を囲む磁気コアを不要とすることができ、電流測定装置の小型軽量化を実現できる上、電源ラインなどの被測定電流I1、I2が流れる一部を切断し、その切断部に専用電流導体を挿入して使用する必要がない場合には、その挿入に伴う電気的な接続部分が発生せず、その接続部分の接触抵抗による損失および発熱の恐れをなくすことができる。
次に、図1の電流測定装置の電流測定の原理について、数式を用いながら具体的に説明する。
図2は、被測定電流導体に流れる電流によってその周囲に発生する磁束密度を求める方法を説明する図である。
図2において、直線状の被測定電流導体1に流れる電流によってその被測定電流導体1の周囲に発生する磁場は、被測定電流導体1を中心として円形になる。そして、被測定電流導体1の長さ方向に直交する方向に、被測定電流導体1から距離rだけ離れた位置の磁束密度Bは、被測定電流導体1に流れる電流をI、真空の透磁率をμ0、円周率をπとすると、ビオサバールの法則から、以下の(1)式のようになる。
B=μ0/(2πr)・I ・・・(1)
このことから、同じ方向の電流I1、I2が図1の被測定電流導体1a、1bにそれぞれ流れることにより、磁場B1、B2が被測定電流導体1a、1bの周囲にそれぞれ発生する。そして、被測定電流導体1a、1bの周囲に磁場B1、B2がそれぞれ発生すると、これら磁場B1、B2が合成された磁場が、磁気検出部2a、2bに印加される。そして、これらの磁場B1、B2が合成された磁場は、図1(b)に鎖線にて図示した磁場BUPPER、BLOWERの如く、磁気検出部2a、2bをそれぞれ逆方向に貫く形で印加される。
磁気検出部2a、2bとして、例えば、ホール素子のように印加される磁束密度の大きさに比例する検出信号が得られる磁電変換素子を用いると、ホール素子の検出信号(出力電圧VH)と、その印加磁束密度Bとの間には、以下の(2)式に示すような関係が存在する。
H=KH・IC・B ・・・(2)
ここで、KHはホール素子の材料の物理的な性質や寸法などによって決まる定数、ICはホール素子に流す制御電流である。
したがって、(2)式において、磁気検出部2a、2bとしてホール素子を用いた際の検出電圧信号をそれぞれVHA、VHBとし、磁場が印加される方向を正負の符号で考慮すれば、検出電圧信号VHA、VHBは、以下の(3)式および(4)式で表すことができる。
HA=KH・IC・BUPPER ・・・(3)
HB=−KH・IC・BLOWER ・・・(4)
次に、外来磁場BEXTが磁気検出部2a、2bに加わった場合を考えると、外来磁場BEXTは、磁気検出手段2a、2bに対して、概ね同方向でかつ同じ大きさで印加される。このことから、外来磁場BEXTの影響を考慮すると、(3)式および(4)式はそれぞれ以下の(5)式および(6)式で表現することができる。
HA=KH・IC・(BUPPER+BEXT) ・・・(5)
HB=KH・IC・(−BLOWER+BEXT) ・・・(6)
したがって、この磁場検出部2a、2bの検出電圧信号VHA、VHBの差をとると、すなわち、(5)式から(6)式を差し引くと、以下の(7)式が得られる。
HA−VHB=KH・IC・(BUPPER+BLOWER) ・・・(7)
(7)式によれば、磁気検出部2a、2bに加わる外来磁場BEXTの影響はキャンセルされ、2本の被測定電流導体1a、1bに流れる被測定電流I1、I2によって生じた磁場B1、B2による信号だけが得られることが示された。また、ビオサバールの法則から、被測定電流導体1a、1bに流れる被測定電流I1、I2の大きさと、被測定電流導体1a、1bの周囲にそれぞれ発生する磁束密度の大きさは比例することから、(7)式の差分電圧信号(VHA−VHB)は、2本の被測定電流導体に流れる被測定電流導体1a、1bの大きさに正確に比例している。
なお、図1の実施形態では、磁気検出部2a、2bに使用する磁電変換素子として、ホール素子を使用するようにした。しかし、磁電変換素子として、ホール素子の他にMR素子(磁気抵抗素子)、MI素子(磁気インピーダンス素子)などが使用できる。さらに、これらの磁電変換素子とIC処理回路とを組み合わせた磁気センサICなど、印加される磁束密度に対して検出信号が一意に定まるものであれば、磁気検出部2a、2bとして使用することができる。
なお、磁気検出部2a、2bに使用する磁電変換素子として、ホール素子を使用するのが以下の点で好ましい。すなわち、ホール素子は使用が容易で、印加された磁束密度と検出信号との関係が(2)式のように線形であるため、(7)式に示した差分信号と被被測定電流の大きさとの関係も線形で、信号の取り扱いが平易である。
以上説明したように、上述した第1実施形態によれば、被測定電流導体1a、1bの周囲を囲む磁気コアが不要となるので、2本の被測定電流導体1a、1bに流れる電流総量の大きさを測定する場合に、電流測定装置の小型軽量化を実現できる。
また、上述した第1実施形態によれば、外来磁場BEXTの影響を排除できるので、被測定電流導体1a、1bに流れる被測定電流I1、I2の大きさを正確に測定できる。
さらに、上述した第1実施形態において、電源ラインなどの被測定電流I1、I2が流れる導体の一部を切断し、その切断部に被測定電流導体1a、1bを挿入して使用する必要がない場合には、その挿入に伴う電気的な接続部分が発生せず、その接続部分の接触抵抗による損失および発熱の恐れをなくすことができる。
その上さらに、上述した第1実施形態によれば、被測定電流導体1a、1bに対する磁気検出部2a、2bの配置や位置決めを容易に行うことができることから、量産性が良好である。
また、上述した第1実施形態では、被測定電流導体1a、1bの横断面形状を円形としたが、これに限らず、被測定電流導体1a、1bの横断面形状は楕円形、正方形または長方形などのいずれであっても良い。
図3(a)は、本発明の第2実施形態に係る電流測定装置の概略構成を示す斜視図、図2(b)は図2(a)の側面図、図2(c)は図2(a)の正面図である。
図3において、1本の被測定電流導体11には貫通スリット13が設けられている。なお、被測定電流導体11は、横断面形状が長方形で全体が直線状の導体から構成することができ、貫通スリット13には、被測定電流導体11の長手方向と平行に所定の幅と長さを持たせることができる。そして、2本の被測定電流導体11a、11bが、1本の被測定電流導体11に設けられた貫通スリット13の両側の導体部分で構成されている。すなわち、貫通スリット13の左右に2本の被測定電流導体11a、11bが分岐形成され、被測定電流導体11a、11bに被測定電流I1、I2をそれぞれ流すことができる。
また、感磁面の向きが互いに一致するように配置された2個の磁気検出部12a、12bが設けられ、磁気検出部12a、12bはパッケージ14にて封止され一体化されている。ここで、パッケージ14には、磁気検出部12a、12bを駆動するとともに、磁気検出部12a、12bから信号を取り出すためのリード端子15が設けられている。なお、パッケージ14としては、ICモールドパッケージ等を用いることができる。また、磁気検出部12a、12bとしては、磁電変換素子を用いることができ、この磁電変換素子として、例えば、ホール素子、MR素子またはMI素子などが使用することができる。
そして、被測定電流導体11a、11bにそれぞれ流れる被測定電流I1、I2を計測する場合、磁気検出部12a、12bが設けられたパッケージ14を貫通スリット13内に設置する。ここで、磁気検出部12a、12bが設けられたパッケージ14を貫通スリット13内に設置する場合、被測定電流導体11a、11bの表面から所定距離だけ離れるようにして、貫通スリット13の上方に磁気検出部12aを配置するとともに、被測定電流導体11a、11bの裏面から所定距離だけ離れるようにして、貫通スリット13の下方に磁気検出部12bを配置することができる。
そして、被測定電流導体11a、11bに電流が流れることによって生じる磁界の強さを磁気検出部12a、12bにてそれぞれ検出し、2個の磁気検出部12a、12bで得られた各検出信号の差を取ることができる。これにより、磁気検出部12a、12bで捕捉される外来磁場BEXTをキャンセルさせることを可能としつつ、2本の被測定電流導体11a、11bに同一方向に流れる電流総量を測定することができ、2本の被測定電流導体11a、11bに流れる電流の大きさを正確に測定することができる。
また、磁気検出部12a、12bを一体的にパッケージ化することで、貫通スリット13の上部または下部からパッケージ14を差し込むことで、被測定電流導体11a、11bに流れる被測定電流I1、I2を計測することが可能となるとともに、配線等の煩雑さを軽減することができ、磁気検出部12a、12bの配置や位置決めが容易化することが可能となるとともに、電流測定装置の量産性を高めることができる。
さらに、2つの磁気検出部12a、12bだけでなく、2つの磁気検出部12a、12bから得られる検出信号の差分を検出する回路も同一パッケージに内蔵すれば、更に量産性を高めることができる。
なお、図3の第2実施形態では、2つの磁気検出部12a、12bをICモールドパッケージ等で一体パッケージ化する方法について説明したが、第1実施形態の様に磁気検出部12a、12bを別々に構成しても構わない。また、第2実施形態では、被測定電流導体11の横断面形状を長方形としたが、被測定電流導体11の横断面形状は長方形に限られることなく、楕円形、正方形または円形などのいずれであっても良い。また、第2実施形態では、貫通スリット13は被測定電流導体11のほぼ中央部に配置したが、貫通スリット13の位置は被測定電流導体11の任意の位置に配置することができる。さらに、貫通スリット13の幅や長さについても任意に設定することができる。
図4(a)は本発明の第3実施形態に係る電流測定装置の概略構成を示す斜視図、図4(b)は図4(a)の側面図、図4(c)は図4(a)の正面図である。
図4において、1本の被測定電流導体21には貫通スリット23が設けられている。貫通スリット23の位置は、被測定電流導体21の幅方向に対してほぼ中央に配置される。なお、被測定電流導体21は、横断面形状が長方形で全体が直線状の導体から構成することができ、貫通スリット23には、被測定電流導体21の長手方向と平行に所定の幅と長さを持たせることができる。そして、2本の被測定電流導体21a、21bが、1本の被測定電流導体21に設けられた貫通スリット23の両側の導体部分で構成されている。すなわち、貫通スリット23の左右に2本の被測定電流導体21a、21bが分岐形成され、被測定電流導体21a、21bに被測定電流I1、I2をそれぞれ流すことができる。
また、感磁面の向きが互いに一致するように配置された2個の磁気検出部22a、22bが設けられ、磁気検出部22a、22bはパッケージ24にて封止され一体化されている。ここで、パッケージ24には、磁気検出部22a、22bを駆動するとともに、磁気検出部22a、22bから信号を取り出すためのリード端子25が設けられている。なお、パッケージ24としては、ICモールドパッケージ等を用いることができる。また、磁気検出部22a、22bとしては、磁電変換素子を用いることができ、この磁電変換素子として、例えば、ホール素子、MR素子またはMI素子などが使用することができる。
そして、被測定電流導体21a、21bにそれぞれ流れる被測定電流I1、I2を計測する場合、磁気検出部22a、22bが設けられたパッケージ24を貫通スリット23内に設置する。ここで、磁気検出部22a、22bが設けられたパッケージ24を貫通スリット23内に設置する場合、被測定電流導体21a、21bの表面から所定距離だけ離れるようにして、貫通スリット23の上方に磁気検出部22aを配置するとともに、貫通スリット23の中央に磁気検出部22bを配置することができる。
そして、被測定電流導体21a、21bに電流が流れることによって生じる磁界の強さを磁気検出部22a、22bにてそれぞれ検出し、2個の磁気検出部22a、22bで得られた各検出信号の差を取ることができる。ここで、被測定電流導体21a、21bには同じ大きさの電流I1、I2が流れるため、磁気検出部22bが配置される貫通スリット23の中央部では、被測定電流導体21aを流れる電流I1によって生じる磁場B1と被測定電流導体21bを流れる電流I2によって生じる磁場B2の関係が大きさが等しく、方向が逆になることから、磁気検出部22bでは、お互いの磁場B1、B2を打ち消し合わせることができる。この結果、磁気検出部22bは、被測定電流I1、I2が被測定電流導体21a、21bを流れることで発生する磁場B1、B2に不感となり、外来磁場BEXTだけを検出することができる。
また、貫通スリット23から突出するように磁気検出部22aを配置することにより、外来磁場BEXTを検出させることを可能としつつ、被測定電流I1、I2が被測定電流導体21a、21bを流れることで発生する磁場B1、B2を同方向に貫通させることが可能となる。このため、磁気検出部22a、22bで捕捉される外来磁場BEXTをキャンセルさせることを可能としつつ、2本の被測定電流導体21a、21bに同一方向に流れる電流総量を測定することができ、2本の被測定電流導体21a、21bに流れる電流の大きさを正確に測定することができる。
また、磁気検出部22a、22bを一体的にパッケージ化することで、貫通スリット23の上部または下部からパッケージ24を差し込むことで、被測定電流導体21a、21bに流れる被測定電流I1、I2を計測することが可能となるとともに、配線等の煩雑さを軽減することができ、磁気検出部22a、22bの配置や位置決めが容易化することが可能となるとともに、電流測定装置の量産性を高めることができる。
さらに、2つの磁気検出部22a、22bだけでなく、2つの磁気検出部22a、22bから得られる検出信号の差分を検出する回路も同一パッケージに内蔵すれば、更に量産性を高めることができる。
なお、図4の第3実施形態では、2つの磁気検出部22a、22bをICモールドパッケージ等で一体パッケージ化する方法について説明したが、図1の第1実施形態の様に磁気検出部22a、22bを別々に構成しても構わない。また、第3実施形態では、被測定電流導体21の横断面形状を長方形としたが、被測定電流導体21の横断面形状は長方形に限られることなく、楕円形、正方形または円形などのいずれであっても良い。貫通スリット23の位置は被測定電流導体21の幅方向に対してほぼ中央部であれば、貫通スリット23の幅や長さについては任意に設定することができる。
図5(a)は本発明の第4実施形態に係る電流測定装置の概略構成を示す斜視図、図5(b)は図5(a)の正面図である。
図5において、1本の被測定電流導体31には貫通スリット33が設けられている。なお、被測定電流導体31は、横断面形状が長方形で全体が直線状の導体から構成することができ、貫通スリット33には、被測定電流導体31の長手方向と平行に所定の幅と長さを持たせることができる。そして、2本の被測定電流導体31a、31bが、1本の被測定電流導体31に設けられた貫通スリット33の両側の導体部分で構成されている。すなわち、貫通スリット33の左右に2本の被測定電流導体31a、31bが分岐形成され、被測定電流導体31a、31bに被測定電流I1、I2をそれぞれ流すことができる。
また、感磁面の向きが互いに一致するように配置された2個の磁気検出部32a、32bが設けられ、磁気検出部32a、32bはパッケージ34にて封止され一体化されている。ここで、パッケージ34には、磁気検出部32a、32bを駆動するとともに、磁気検出部32a、32bから信号を取り出すためのリード端子35が設けられている。なお、パッケージ34としては、ICモールドパッケージ等を用いることができる。また、磁気検出部32a、32bとしては、磁電変換素子を用いることができ、この磁電変換素子として、例えば、ホール素子、MR素子またはMI素子などが使用することができる。
そして、被測定電流導体31a、31bにそれぞれ流れる被測定電流I1、I2を計測する場合、磁気検出部32a、32bが設けられたパッケージ34を貫通スリット33の位置に設置する。ここで、磁気検出部32a、32bが設けられたパッケージ34を貫通スリット33の位置に設置する場合、被測定電流導体31a、31bの表面から所定距離だけ離れるようにして、貫通スリット33の一端の上方に磁気検出部32aを配置するとともに、被測定電流導体31a、31bの表面から所定距離だけ離れるようにして、貫通スリット33の他端の上方に磁気検出部32bを配置することができる。
そして、被測定電流導体31a、31bに電流が流れることによって生じる磁界の強さを磁気検出部32a、32bにてそれぞれ検出し、2個の磁気検出部32a、32bで得られた各検出信号の差を取ることができる。ここで、被測定電流導体31a、31bに電流が流れることにより、図5(b)に示すように、方向が互いに逆(図5(b)の例では上方向と下方向)の磁場B1、B2が、磁気検出部32a、32bにそれぞれ印加される。一方、外来磁場BEXTも第1実施形態と同様に、磁気検出部32a、32bに対しては、同じ大きさかつ同一方向にそれぞれ印加される。これにより、磁気検出部32a、32bで捕捉される外来磁場BEXTをキャンセルさせることを可能としつつ、2本の被測定電流導体31a、31bに同一方向に流れる電流総量を測定することができ、2本の被測定電流導体31a、31bに流れる電流の大きさを正確に測定することができる。
また、磁気検出部32a、32bを一体的にパッケージ化することで、貫通スリット33の上部または下部にパッケージ34を配置することで、被測定電流導体31a、31bに流れる被測定電流I1、I2を計測することが可能となるとともに、配線等の煩雑さを軽減することができ、磁気検出部32a、32bの配置や位置決めが容易化することが可能となるとともに、電流測定装置の量産性を高めることができる。
さらに、2つの磁気検出部32a、32bだけでなく、2つの磁気検出部32a、32bから得られる検出信号の差分を検出する回路も同一パッケージに内蔵すれば、更に量産性を高めることができる。
図5(c)および図5(d)は図5(b)の別の実施形態である。
図5(c)において、磁気検出部32a、32bは、貫通スリット33の内部の位置に配置されている。さらに、磁気検出部32a、32bは、パッケージ34aにて封止され一体化されており、パッケージ34aは貫通スリット33にちょうどはまり込む位置に配置されている。図5(c)では、電流を測定する方法は図5(b)と同様であり詳細な説明は省略するが、パッケージ34aが貫通スリット33にはまり込む位置に設けられているため、図5(b)と比較すると、より小型で薄型の電流測定装置を実現できる。
また、図5(d)において、図5(c)と同様に、磁気検出部32a、32bは、貫通スリット33の内部の位置に配置され、磁気検出部32a、32bが封止され一体化されたパッケージ34aは貫通スリット33にちょうどはまり込む位置に配置されている。さらに、2個の磁気検出部32a、32bのうち一方の磁気検出部32aのみが、貫通スリット33の中央部に配置されている。図5(c)において、電流を測定する方法は図5(b)と同様であり、さらに一方の磁気検出部のみが貫通スリット33の中央部に配置されている図4の第3実施形態と同様であるので詳細な説明は省略するが、パッケージ34aが貫通スリット33にはまり込む位置に設けられているため図5(b)と同様の効果が得られるとともに、一方の磁気検出部のみが貫通スリット33の中央部に配置されているので、図4の第3実施形態と同様の効果も得られる。
なお、図5(c)及び図5(d)中において、パッケージ34aをノンリードタイプとしたので、タブ35aと被測定電流導体31a、31bとのショートを容易に防止することができる。また、図5(c)及び図5(d)中において、パッケージ34aを近年多用されているノンリードタイプとしたが、図5(b)中のパッケージ34のようなガルウイングタイプあるいはSOPタイプとしてリード端子と被測定電流導体31a、31bとがショートしないように貫通スリット33の幅を広げても良い。同様に、図5(b)中において、パッケージをノンリードタイプとしても良い。
なお、図5の第4実施形態では、2つの磁気検出部32a、32bをICモールドパッケージ等で一体パッケージ化する方法について説明したが、第1実施形態の様に磁気検出部32a、32bを別々に構成しても構わない。また、第4実施形態では、被測定電流導体31の横断面形状を長方形としたが、被測定電流導体31の横断面形状は長方形に限られることなく、楕円形、正方形または円形などのいずれであっても良い。また、第4実施形態では、貫通スリット33は被測定電流導体31のほぼ中央部に配置したが、貫通スリット33の位置は被測定電流導体31の任意の位置に配置することができる。さらに、貫通スリット33の幅や長さについても任意に設定することができる。
また、図5の第4実施形態では、磁気検出部32a、32bが設けられたパッケージ34を被測定電流導体31a、31bの表面側に配置する方法について説明したが、磁気検出部32a、32bが設けられたパッケージ34を被測定電流導体31a、31bの裏面側に配置するようにしてもよい。
なお、図4の第3実施形態は、図2の第2実施形態に比べてパッケージが下側に張り出しておらず平坦なため、下方のスペースが有効に使える。さらに、図5の第4実施形態は、薄型のパッケージであるため、より小型で薄型の電流測定装置を実現できる。
本発明は、例えば、商用交流電流の流れる分電盤や回路ブレーカ、3相交流電流で運転される産業用やハイブリッド自動車用等の電動機駆動用インバータ制御装置、さらには多数の配線からなる機器内配線などに利用することができ、装置の小型軽量化が要求され、周囲に外来磁場が多数存在する環境下においても、磁気センサ配置や位置決めにかかる手間を軽減することを可能としつつ、被測定電流導体に流れる電流を精度よく測定することができる。
図1(a)は本発明の第1実施形態に係る電流測定装置の概略構成を示す斜視図、図1(b)は図1(a)の側面図、図1(c)は図1(a)の正面図である。 被測定電流導体に流れる電流によってその周囲に発生する磁束密度を求める方法を説明する図である。 図3(a)は本発明の第2実施形態に係る電流測定装置の概略構成を示す斜視図、図2(b)は図2(a)の側面図、図2(c)は図2(a)の正面図である。 図4(a)は本発明の第3実施形態に係る電流測定装置の概略構成を示す斜視図、図4(b)は図4(a)の側面図、図4(c)は図4(a)の正面図である。 図5(a)は本発明の第4実施形態に係る電流測定装置の概略構成を示す斜視図、図5(b)は図5(a)の正面図、図5(c)および図5(d)は図5(b)の別の実施形態である。 従来の磁気コアを用いた電流測定装置の構成を示す模式図である。 従来の被測定電流導体と一体化された電流測定装置の一例を示す模式図である。 従来の被測定電流導体の中心に対して等間隔で対向する位置に磁気センサが配置された電流測定装置の一例を示す模式図である。
符号の説明
1、1a、1b、11a、11b、21a、21b、31a、31b、51、61、72 被測定電流導体
2a、2b、12、12a、12b、22、22a、22b、32、32a、32b 磁気検出手段
11、21、31 導体板
13、23、33 貫通スリット
14、24、34、64 パッケージ
15、25、35、62、63a、63b リード端子
52 磁気コア
53、65 ホール素子
54 増幅器
55 電圧計
56 直流電源
73 基板
71a、71b 磁気センサ
34a パッケージ(ノンリードタイプ)
35a タブ

Claims (12)

  1. 長手方向に対して平行に設置される2本の被測定電流導体に同方向に流れる電流によって生じる磁界が互いに逆向きに貫通するように感磁面がそれぞれ配置された2個の磁気検出手段と、
    前記2個の磁気検出手段から得られる検出信号の差分を算出する差分算出手段とを備えることを特徴とする電流測定装置。
  2. 前記磁気検出手段は、前記2本の被測定電流導体間に感磁面の向きが互いに一致するように配置されていることを特徴とする請求項1に記載の電流測定装置。
  3. 前記2本の被測定電流導体をさらに備えることを特徴とする請求項1または2に記載の電流測定装置。
  4. 前記2本の被測定電流導体は、貫通スリットが設けられた1本の被測定電流導体の貫通スリットの両側の導体部分で構成されていることを特徴とする請求項1乃至3のうちの何れか1項に記載の電流測定装置。
  5. 前記2個の磁気検出手段のうち、一方の磁気検出手段は前記被測定電流導体表面側の貫通スリットの上部の所定の位置に配置され、他方の磁気検出手段は前記被測定電流導体裏面側の貫通スリットの下部の所定の位置に配置されていることを特徴とする請求項4に記載の電流測定装置。
  6. 前記2個の磁気検出手段のうち、一方の磁気検出手段は前記被測定電流導体の貫通スリットの中央部に配置され、他方の磁気検出手段は前記被測定電流導体の表面側または裏面側のどちらか一方において、前記貫通スリットの上部または下部の所定の位置に配置されていることを特徴とする請求項4に記載の電流測定装置。
  7. 前記2個の磁気検出手段は、前記被測定電流導体表面側または裏面側のどちらか一方において、前記貫通スリット両端部の所定の位置に被測定電流が流れる方向と直交する方向にそれぞれ並べて配置されていることを特徴とする請求項4に記載の電流測定装置。
  8. 前記2個の磁気検出手段は、前記貫通スリット内部の所定の位置に被測定電流が流れる方向と直交する方向にそれぞれ並べて配置されていることを特徴とする請求項4に記載の電流測定装置。
  9. 前記2個の磁気検出手段のうち、一方の磁気検出手段は前記貫通スリットの中央部に配置されていることを特徴とする請求項8に記載の電流測定装置。
  10. 前記2個の磁気検出手段は磁電変換素子であることを特徴とする請求項1乃至9のうちの何れか1項に記載の電流測定装置。
  11. 前記磁電変換素子はホール素子であることを特徴とする請求項10に記載の電流測定装置。
  12. 長手方向に対して平行に設置される2本の被測定電流導体に同方向に流れる電流によって生じる磁界が感磁面を互いに逆向きにそれぞれ貫通するように2個の磁気検出手段を配置するステップと、
    前記2個の磁気検出手段から得られる検出信号の差分を算出するステップとを備えることを特徴とする電流測定方法。
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