JP6008756B2 - 電流センサおよび三相交流用電流センサ装置 - Google Patents

Description

本発明は磁電変換素子、特に磁気抵抗素子を用いた電流センサにおける磁気シールドの構成に関する。

ホール素子は感度が低いために、電流センサとして用いるには集磁コアが必須である。そのため、リング状又はＣ字コアを用いることが一般的であったが、サイズが大きく取り付けづらいという課題があった。

また、高感度な磁気抵抗素子を用いてコアを使用しない方式が提案されているが、電流が発生する磁界は強度が大きく、磁気抵抗素子は飽和してしまう。そのため、数アンペア以上の電流を検出するためには、電流線から離れた場所に素子を置く必要があった。

そこで、例えば特許文献１では、電流線を三分岐させて電流強度を弱め、そのうちの１本の電流線が作る磁界を磁気抵抗素子で検出する電流センサが提案されている。

特開２０１１−３８８７４

特許文献１の電流センサでは、電流線を専用に加工する等構造が複雑になり、電流センサのサイズが結局大きくなるという課題があった。

これは、磁気インピーダンス素子等、他の磁電変換素子を用いた電流センサにおいても想定される課題である。

本発明の目的は、磁電変換素子を用いた電流センサにおいて、既設電流線を用いた、設置容易で小型な電流センサを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係る電流センサは、第１方向に沿って配置された電流線に流れる電流を検出する電流センサであって、第１方向に沿って延びる貫通孔を有する磁性部材を備えた磁気シールドと、貫通孔の内部に配置され、電流線に流れる電流が発生する磁界を感知する磁電変換素子とを備える。磁性部材の側面には、第１方向に沿って延びる空隙部が形成されている。また、電流センサは、電流線が磁電変換素子に対して空隙部側であって磁性部材の外周面より内側に位置するように配置される。

本発明によれば、電流線が磁電変換素子に対して空隙部側に位置するように磁気シールドを配置することにより、既設電流線を用いた、設置容易で小型な電流センサを提供することができる。

さらに本発明によれば、電流線が磁性部材の外周面より内側に位置するように磁気シールドを配置することにより、検出対象の電流線以外の電流線が隣接して存在する場合でも、検出対象の電流線に流れる電流を精度よく検出することができる。

本発明の実施の形態１による電流センサを示す斜視図である。 本発明の実施の形態１による電流センサを示す断面図である。 本発明の実施の形態１による電流センサを示す側面図である。 本発明による電流センサの信号処理を示すブロック図である。 電流線からの距離と磁界の強さの関係を表す図である。 典型的な異方性磁気抵抗素子の特性を示す図である。 本発明の実施の形態２による電流センサを示す斜視図である。 本発明の実施の形態２による電流センサを示す断面図である。 本発明の実施の形態２による電流センサを示す側面図である。 本発明の実施の形態３による電流センサ装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態３による電流センサ装置を示す側面図である。 本発明の実施の形態３による代替の電流センサ装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態４による電流センサを示す断面図である。 本発明の実施の形態４による電流センサを示す側面図である。 本発明の実施の形態４による電流センサを有する電流センサ装置を示す、図１０に対応する断面図である。

実施の形態１．
図１、図２、図３は、それぞれ本発明の実施の形態１による電流センサを示す斜視図、断面図、側面図である。なお、本明細書で参照する断面図は、すべてｘｙ平面に沿った断面を示す断面図（ｘｙ断面図）であって、磁気抵抗素子２が存在する位置での断面図である。
本実施形態による電流センサ１０は、磁気シールド１と、既設の電流線３に流れる被測定電流が発生する磁界を感知する磁気抵抗素子２とを備える。電流線３は、図中のｚ方向に延び、電流はｚ方向に流れる。電流センサ１０は、例えば一般的な円柱状、板状、直方体形状を有するいずれの電流線３にも使用可能である。

磁気シールド１は、筒状、例えば円筒形状、中空四角柱形状を有し、貫通孔又は中空部は、ｚ方向に沿って延びている。磁気シールド１は、ｚ方向周りの周面に空隙を有しない。

磁気シールド１は、例えば、珪素鋼板等の電磁鋼板、フェライト又はパーマロイ等の磁性部材で構成することができる。使用する磁性部材は、加工性、コスト及び物性値等の特性を考慮して選択される。一般に、磁気特性、比透磁率、周波数特性、キュリー温度等の物性値は、電流線が作る磁界強度と磁気抵抗素子の感度範囲の関係、センサ動作温度、及び動作周波数等の条件により決定する。

この磁気シールド１は、例えば薄板をｚｙ断面形状に打ち抜いてｚ方向に積層する方法、又はフェライト等の粉体を焼結するという方法でも作製できる。或いは、ｚ方向に伸びた板材をｘｙ方向に折り曲げて作製することも可能である。

図１、図２に示すように、磁気抵抗素子２は、電流線３から−ｙ方向に所定の距離ｒ隔てて配置されている。磁気抵抗素子２は、磁気シールド１の貫通孔内又は中空部内に配置される。

磁気抵抗素子２としては、例えば異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）素子を使用することができる。或いは、磁気抵抗素子として、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子、トンネル効果磁気抵抗（ＴＭＲ）素子を使用してもよい。

一般に、磁電変換素子、例えば磁気抵抗素子は、配置する方向によって感知する磁界強度が異なる特性を有する。よって、本発明において、磁気抵抗素子２が感知する磁界強度が磁電変換素子の感度範囲に納まるように、即ち磁気抵抗素子２が飽和しないように、距離ｒ及び磁気抵抗素子２の配置方向を決定する。

つまり、磁気抵抗素子２に強度が大きい磁界を感知させるためには、感磁方向が、電流線が作る磁界方向に一致するように配置することができる。電流線４が作る磁界は曲線状であり、また、磁気抵抗素子２の感磁領域は充分広い。よって、３次元直交座標系においてベクトル成分に分解した場合に最も磁界が強くなる方向に配置することができる。或いは、この方向からずらして磁気抵抗素子２を配置することにより、磁気抵抗素子２に強度が小さい磁界を感知させることができる。

図４は、本発明による電流センサの信号処理を示すブロック図である。磁気抵抗素子２は、感知した磁界に応じて変化する電圧信号を信号処理部４に出力する。信号処理部４は、例えば、Ａ／Ｄ変換器、マイクロコンピュータ、メモリ等から構成され、検出した電流の方向、大きさを出力する。

次に、本実施形態による電流センサ１０の動作について説明する。電流線３に電流が流れると、電流線３の周囲に磁界が発生する。磁界の強さ及び向きは、ビオサバールの法則で記述することができる。

電流線の太さを無視し、充分長い針金状のものとすると、発生する磁界の強さＨは、下記の式（１）で表される。

ここで、Ｈは磁界の強さ［Ａ／ｍ］、Ｉは電流線を流れる電流値［Ａ］、ｒは電流線からの距離［ｍ］である。図５は、電流線からの距離と磁界の強さの関係を表す図である。図５では、針金状の電流線に１２０［Ａ］の電流が流れた場合について示している。磁界の強さＨは、電流線からの距離ｒの増加に伴って減少する。

図６は、典型的な異方性磁気抵抗素子の特性を示す図である。異方性磁気抵抗素子（ＡＭＲ）は、一般的に５〜２０［Ｏｅ］で飽和する。磁界強度に対して磁気抵抗素子の出力が高い線形性を示す領域は、さらに狭くなる。例えば１５［Ｏｅ］で飽和し、線形性が保たれる範囲が０〜５［Ｏｅ］である異方性磁気抵抗素子を想定する。図５の場合、磁気抵抗素子を飽和させず、かつ、線形性が高い領域で測定するためには、最低でも電流線から５ｃｍ離す必要があることがわかる。よって、磁気抵抗素子２を飽和させず、かつ、線形性が高い領域で測定するためには、電流センサ全体が要する空間が大型化する。

一方、本実施形態による電流センサ１０は、磁気シールド１を備えており、この磁気シールド１に磁界が集中するため、内側の磁界強度は小さくなる。磁気シールド１には空隙がないため、外側からの磁界が磁気シールド１を介さずに磁気抵抗素子２が設置された磁気シールド１の内側に入り込むことがなく、それゆえ磁界強度の減衰効果を高めることができる。磁気シールド１の内側の磁界強度は、磁気シールド１の比透磁率、貫通孔又は中空部の開口面積、電流線からの距離ｒ等の条件によって最適化される。

磁気抵抗素子２の抵抗値は、最適化した磁界に対応して変化する。電源から磁気抵抗素子２に電圧が印加されると、磁気抵抗素子２は、感知した磁界に応じて変化する電圧信号を信号処理部４に出力する。信号処理部４は、磁気抵抗素子２が出力する電圧信号検出した電流の方向、大きさを出力する。

以上、本実施形態では、磁気シールド１を備えることにより、電流線３から大きい距離を隔てて磁気抵抗素子２を配置することも、電流センサ全体が要する空間を大型化させることもなく、磁気抵抗素子２が感知する磁界強度を減衰させることができるという利点がある。その結果、磁気抵抗素子２を飽和させることなく、更には線形性が保たれる範囲で使用することができるという利点がある。

よって、微小電流だけでなく、大電流の検出にも電流センサ１０を使用可能である。また、電流センサ１０は小型化可能であり、電流線３に対して一方向のｙｚ平面、又はｘｚ平面のみの設置が可能となる。さらに、電流線３を分流、折り曲げ等の加工をする必要もないため、電流センサ１０は、既設の電流線３に容易に設置可能である。

実施の形態２．
図７、図８、図９は、それぞれ本発明の実施の形態２による電流センサを示す斜視図、断面図、側面図である。本実施形態による電流センサ１０の磁気シールド１は、周面に磁性障壁部１１を有する。また、本実施形態では、被測定電流が流れる電流線３に加えて、電流線３に隣接配置され、測定対象でない電流が流れる隣接電流線５の存在を想定している。隣接電流線５は、図中のｚ方向に沿って延び、電流もｚ方向に沿って流れる。その他の構成は実施形態１と同様である。

図８に示すように、隣接電流線５が、電流線３から＋ｘ方向に所定の距離隔てて配置されているとする。この場合、図７〜９に示すように、磁気シールド１の磁性障壁部１１は、磁気シールド１の周面の＋ｘ側に設けられる。

磁性障壁部１１は、電流線３と隣接電流線５との間に配置され、隣接電流線５に流れる電流により発生する磁界を吸収する構成を有する。磁性障壁部１１は、例えば図７に示すように、ｙｚ平面に沿った面内に広がる形状を有してもよい。また、磁性障壁部１１は、＋ｙ方向には、図８に点線で示した位置、即ち隣接電流線５の端よりも長い位置まで延びる形状を有することが好ましい。

また、磁性障壁部１１は、磁気シールド１と一体成形することができ、或いは、別部材として磁気シールド１に取り付けることも可能である。

次に動作について説明する。電流線３に電流が流れると、電流線３の周囲に磁界が発生する。実施形態１と同様に、磁気シールド１に磁界が集中し、磁気シールド１の内側は磁界強度が小さくなる。

本実施形態では、隣接電流線５にも電流が流れて磁界を発生するが、磁性障壁部１１により充分吸収される。磁気抵抗素子２は、電流線３が磁気抵抗素子２の位置に作る磁界成分Ｈ_ｍと、隣接電流線５が磁気抵抗素子２の位置に作る磁界成分Ｈ_ｎの和を感知する。磁性障壁部１１の形状、大きさを調節することにより、｜Ｈ_ｍ｜／｜Ｈ_ｎ｜の値を１／１０００以下にすることも可能である。

以上、本実施形態では、実施形態１と同様、磁気抵抗素子２が感知する磁界強度を所望の程度まで抑えることができる。また、磁気シールド１が磁性障壁部１１を備えることにより、隣接電流線５が磁気抵抗素子２の位置に作る磁界強度を、電流線３が作る磁界強度に比べて充分小さくすることができるため、電流センサ１０は、被測定電流を精度よく検出することができる。さらに、上記２つの機能を、一体で構成された電流センサで果たしているために、磁気シールドと磁性障壁部とを別体で設けた場合に比べて位置決めが容易となる。

実施の形態３．
図１０、図１１は、それぞれ本発明の実施の形態３による電流センサ装置を示す断面図、側面図である。本実施形態による電流センサ装置２０には、実施形態２による電流センサが２つ設けられている。本実施形態では、被測定電流が流れる電流線３ａ，３ｂ、及び電流線３ａ，３ｂの間に隣接配置され、測定対象でない電流が流れる隣接電流線５の３本の電流線が存在する場合について説明する。３本の電流線は、ｚ方向に沿って延びるが、互いに平行である必要はない。

電流センサ１０ａ，１０ｂは、電流線３ａ，３ｂからそれぞれ所定の距離隔てて設置される。電流センサ１０ａ，１０ｂが備える磁気シールド１ａ，１ｂの磁性障壁部１１ａ，１１ｂは、隣接電流線５の側に設けられる。即ち、図１０に示すように、磁性障壁部１１ａは＋ｘ側に、磁性障壁部１１ｂは−ｘ側に設けられる。

一般に、三相交流では、両端の電流線３ａ，３ｂだけでなく、中央の電流線５にも同時に電流が流れる。本実施形態による電流センサ装置２０は、電流線３ａ，３ｂに大電流が流れる場合でも使用可能である。また、隣接電流線５が作る磁界により生じる被測定電流の測定誤差を最小限に抑えることができる。よって、電流センサ装置２０は、三相交流用の電流センサ装置として使用することができる。

本実施形態では、被測定電流が流れる両端の電流線３ａ，３ｂの間に、測定対象でない電流が流れる電流線５が配置される場合について説明した。代替として、図１２に示すように、被測定電流が流れる電流線３ａ，３ｂが隣接配置され、電流線３ａと測定対象でない電流が流れる電流線５との間に電流線３ｂが配置される構成を有してもよい。この場合、上記構成と同様に、隣接する電流線の間、即ち電流線３ａと電流線３ｂとの間、及び電流線３ｂと電流線５との間にそれぞれ磁性障壁部が設けられるようにする。つまり、図１２に示すように、磁性障壁部１１ａ，１１ｂは共に＋ｘ側に設けられる。

実施の形態４．
図１３、図１４は、それぞれ本発明の実施の形態４による電流センサを示す断面図、側面図である。以下、実施形態１と異なる構成のみを説明する。本実施形態による電流センサ１０の磁気シールド１は、筒状の胴体部のｚ方向周りの周面に、ｚ方向に沿った空隙部１２が形成された形状を有する。

図１３にｘｙ断面図を示すように、磁気シールド１はｚ方向から見て、四角形の一部を切り欠いたように形成されているが、例えばコ字状（凹字状）、Ｕ字状、Ｃ字状、円弧状等の任意の形状に形成されてもよい。

磁気シールド１は、電流線３が磁気抵抗素子２に対して空隙部１２側であって磁気シールド１の外周面より内側に位置するように配置される。このように、電流線３は磁気シールド１に挟まれ、或いは包囲される。ただし、電流線３が必ずしも磁気シールド１の内周面より内側に位置する必要はない。

本実施形態の構成によれば、実施形態１と同様に、磁気シールド１に磁界が集中するため、磁気抵抗素子２が設置された磁気シールド１の内側は、磁界強度が小さくなる。また、図１５に示すように、検出対象でない隣接電流線５が存在する場合、その隣接電流線５が発生させる磁界は、磁性部材で構成された最近接の磁気シールド１ａ（１ｂ）に集中する。それゆえ、隣接電流線５が磁気抵抗素子２に及ぼす影響も軽減できる。なお、図１５は図１０に対応する図であり、詳しい説明は省略する。

ここで、例えばホール素子を用いた電流センサの場合、磁性体コアの空隙部にホール素子を配置することがある。このとき、磁性体コアから空気中に出て再び磁性体コアに戻るような磁束が発生するところ、空隙の端面の面積を小さくすることにより、その磁束密度をさらに大きくすることができる。例えば、Ｃ字状の磁性体コアの内側に電流線を設置し、Ｃ字の空隙部にホールセンサを設置することによって、磁性体コアが無い場合よりも電流線の作る磁界強度を強め、ホールセンサで検知できる磁界強度にしている。

本実施形態では、逆に磁界強度を適度に減衰させる目的があるために、上記のホールセンサの配置とは逆に、磁気シールド１が集磁コアとして機能しないようにする必要がある。そのため、電流線３が磁気抵抗素子２に対して空隙部１２側に位置するように磁気シールド１を配置し、端面面積の小さい空隙部１２に磁気抵抗素子２が設置されないようにした。これにより、実施形態１と同様の効果を得ることができる

また、電流線３が磁気シールド１の外周面より内側に位置するように磁気シールド１を配置することにより、実施形態２で磁性障壁部１１を設けたことによる効果を得ることができる。

以上の実施形態では、磁気抵抗素子を用いた電流センサについて説明したが、磁気インピーダンス型等の磁電変換素子はもちろん、例えば磁性体の飽和を利用するフラックスゲート型の磁電変換素子を用いた電流センサにも、強磁界での使用に適さない点で本発明を適用することができる。

１ 磁気シールド、 ２ 磁気抵抗素子、 ３ 電流線、 ４ 信号処理部、 ５ 隣接電流線、 １１ 磁性障壁部、 １２ 空隙部。

Claims (6)

1. 第１方向に沿って配置された電流線に流れる電流を検出する電流センサであって、
   第１方向に沿って延びる貫通孔を有する磁性部材を備えた磁気シールドと、
   貫通孔の内部に配置され、電流線に流れる電流が発生する磁界を感知する磁電変換素子とを備え、
   磁性部材の側面には、第１方向に沿って延びる空隙部が形成され、
   磁気シールドは、電流線の少なくとも一部が空隙部内に位置するように配置されていることを特徴とする電流センサ。
2. 第１方向に沿って配置された電流線に流れる電流を検出する電流センサであって、
   第１方向に沿って延びる貫通孔を有する筒状の磁性部材を備えた磁気シールドと、
   貫通孔の内部に配置され、電流線に流れる電流が発生する磁界を感知する磁電変換素子とを備え、
   磁気シールドは、電流線が磁気シールドの外側に位置するように配置されていることを特徴とする電流センサ。
3. 磁気シールドは、前記電流線と該電流線に隣接配置された他の電流線との間に設けられた磁性障壁部を含むことを特徴とする、請求項２に記載の電流センサ。
4. 請求項３に記載の電流センサを２つ備え、
   該２つの電流センサは、三相交流電流が流れる３本の電流線のうち、互いに異なる１本の電流線に流れる電流をそれぞれ検出することを特徴とする三相交流用電流センサ装置。
5. 磁電変換素子は異方性磁気抵抗素子である、請求項１から３のいずれか１項に記載の電流センサ。
6. 第１方向に沿って配置された電流線に流れる電流を検出する電流センサであって、
   第１方向に沿って延びる貫通孔を有する磁性部材を備えた磁気シールドと、
   電流線に流れる電流が発生する磁界を感知する異方性磁気抵抗素子とを備え、
   磁性部材の側面には、第１方向に沿って延びる空隙部が形成され、
   異方性磁気抵抗素子は、貫通孔を画定する磁性部材の内周面に含まれる平面部上に配置され、
   空隙部が形成された磁性部材の側面は、該平面部に対向し、
   磁気シールドは、電流線が空隙部内に位置するように配置されていることを特徴とする電流センサ。

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