JP6747909B2 - 電流センサ - Google Patents

Description

本発明は、磁電変換素子を用いた電流センサに関するものである。

特許第４８６１１５５号公報（特許文献１）には、電流が流れる導体と、該導体の電流の流れ方向を軸とした軸回りを囲むように配置され、電流の流れ方向に沿ったギャップを有する環状のシールド板と、導体に電流が流れたときに発生する磁界の磁束密度を検知して電気信号に変換する磁電変換素子とを有する従来の電流センサの例が開示されている。この電流センサでは、磁電変換素子が、予め測定された導体とシールド板のギャップとの間において導体に電流が流れたときに発生する磁界の磁束密度が最小となる位置付近に配置する。この電流センサの構成によると、シールド板の磁気飽和の影響を低減することができるので、精度良く広範囲の電流を測定することができ、またギャップを大きくしなくても、精度良く広範囲の電流を測定できると特許文献１に記載されている。

特許第４８６１１５５号公報

しかしながら従来の構造の電流センサでは、センサ感度の直線性が悪いという問題があることを発明者は見出した。

本発明の目的は、センサ感度の直線性に優れた、磁電変換素子を用いた電流センサを提供することにある。

本発明は、電流が流れる導体と、該導体の電流の流れ方向に延びる仮想中心線の回りを囲むように配置され、電流の流れ方向に沿って延びるギャップを有するシールド本体と、導体に電流が流れたときに発生する磁界の磁束密度を検知して電気信号に変換する磁電変換素子とを有する電流センサを改良の対象とする。本発明の電流センサでは、シールド本体のギャップを塞ぐ閉塞シールド部を備えている。そして電流センサの感度の直線性が、閉塞シールド部を備えていない場合の感度の直線性よりも良くなるように、シールド本体の厚み寸法と閉塞シールド部の厚み寸法が定められる。本発明は、明確な理由はまだ分からないが、発明者の試験により、所定の厚みの閉塞シールド部を設けると感度の直線性が改善できるという知見を基礎とするものである。試験結果からは、シールド本体の厚み寸法と閉塞シールド部の厚み寸法を変えることにより、感度の直線性が変わること（直線性が悪くなる場合も、また直線性が良くなる場合もあること）が判った。そこで本発明によれば、これらの厚みを適宜に変えて、従来よりも感度の直線性が良い電流センサを提供する。

より具体的には、０〜１００Ａの測定範囲における電流センサの感度の直線性が、±１％の範囲に入るように、シールド本体の厚み寸法と閉塞シールド部の厚み寸法が定められる。ここで直線性が±１％の範囲に入ることを前提にするのは、シールド本体がＰＣパーマロイ又はフェライトにより形成されている場合に、閉塞シールド部を設けない場合の直線性が±２％の範囲内に入るため、この場合よりも直線性を高めるためである。

本発明は、明確な理由はまだ分からないが、発明者の試験により、所定の厚みの閉塞シールド部を設けると感度の直線性が改善できるという知見を基礎とするものである。試験結果からは、シールド本体の厚み寸法と閉塞シールド部の厚み寸法を変えることにより、感度の直線性が変わることが判った。そこで本発明によれば、これらの厚みを適宜に変えて、所定の測定範囲における電流センサの感度の直線性を改善する。

シールド本体は、一対の側壁部と該一対の側壁部のそれぞれの一端を連結する連結部とが一体に形成されて構成されているものを用いることができる。この場合、閉塞シールド部は一対の側壁部のそれぞれの他端に連結されてギャップを閉塞する。そして導体が連結部側に配置され、磁電変換素子がギャップ側に配置されている。このように構成すると、電流の測定範囲を拡げることができて、しかも感度の直線性を出し易いという利点がある。

磁電変換素子としては、導体の周囲を囲むように発生する磁束による磁界の強さに比例して抵抗値が下がるＡＭＲ素子又はＧＭＲ素子を用いるのが好ましい。ＡＭＲ素子又はＧＭＲ素子は、電流の測定範囲が広く、しかも大きな電流の測定に優れている。

具体的な構造では、連結部は導体の外周に沿うように湾曲しており、一対の側壁部は一定の間隔をあけて平行に対向しているのが好ましい。この場合、導体の直径寸法が１０±０．４ｍｍ以上ある場合には、連結部及び一対の側壁部の厚みを、１．５±０．１ｍｍ以上２．０±０．１ｍｍ以下とし、閉塞シールド部の厚みを０．７±０．１ｍｍの範囲の値とするのが好ましい。

本発明に係る電流センサの一つの実施の形態を示す正面図である。 図１の電流センサの構成の一部を省略して示す概略斜視図である。 閉塞シールド部及びシールド本体の厚みを変えたときの感度の直線性の試験結果を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明に係る電流センサの実施の形態について説明する。

各図において、本実施の形態の電流センサは導体であるケーブルＣに流れる電流を検知する。導体は、本実施の形態においてはケーブルＣだが、他の実施の形態ではその他の絶縁電線やバスバなども検知の対象となり得る。

電流センサは、シールド本体１と、磁電変換素子であるＡＭＲ素子２と、シールド本体１のギャップ４を塞ぐ閉塞シールド部３とからなる。ＡＭＲ素子２を駆動したり、ＡＭＲ素子からの出力信号を処理する機能を有する信号処理回路５はモールド樹脂によって形成されたモールド部６内に配置されている。図２には、信号処理回路５及びモールド部６は図示していない。

シールド本体１は、ケーブルＣの延びる方向を電流の流れ方向に延びる仮想中心線の回りを囲むように配置され、電流の流れ方向に沿って延びるギャップ４を有する。シールド本体１は外界からの磁界の影響をシールドするためにＰＣパーマロイ製である。ＰＣパーマロイは、Ｎｉを主成分とし、Ｃｕ及びＭｏの少なくとも一方を副成分とし、残部がＦｅからなる高透磁率材料であり、本実施の形態では、Ｎｉが７７〜７９％、Ｃｕが０〜５％、Ｍｏが４〜５％、Ｆｅが１３〜１５．４％を含むもの、その他にＣ，Ｓｉ，Ｍｎ等を含むものを用いている。シールド本体１は帯状のＰＣパーマロイ板がＵ字形に湾曲させられて構成されている。すなわちＵ字形の２つの直線部である一対の側壁部１１，１１と、Ｕ字形の半円形の湾曲部からなる連結部１２とを備えており、一対の側壁部１１，１１とそのそれぞれの一端を連結する連結部１２とが一体に形成されて構成されている。一対の側壁部１１，１１の他端側は連結することなく開口しており、この開口がギャップ４を構成する。

本発明の電流センサにおいては、シールド本体１のギャップ４は、閉塞シールド部３により塞がれている。閉塞シールド部３もＰＣパーマロイ製であるが、シールド本体１よりも厚みが薄いＰＣパーマロイ板により形成されている。本実施の形態では、図示していないが、閉塞シールド部３はシールド本体１の一対の側壁部１１，１１と磁気的に連結されることを可能にするネジ止め、クリップ止め等の機械的連結手段を用いて一対の側壁部１１，１１と結合されている。

ＡＭＲ素子２は、ケーブルＣに電流が流れたときに発生する磁界の磁束密度を検知して電気信号に変換する。本発明においては、ケーブルＣの周囲を囲むように発生する磁束による磁界の強さに比例して抵抗値が下がるＡＭＲ素子を用いているが、他の実施の形態では、ＧＭＲ素子、ＴＭＲ素子等、他の磁電変換素子も使用することができる。ＡＭＲ素子は、電流の測定範囲が広く、しかも大電流の測定に優れている。

ＡＭＲ素子２はケーブルＣから、ケーブルＣの半径方向に距離を置いて、シールド本体１に囲まれた内部に配置される。なお特許文献１に記載されているような位置、すなわちケーブルＣに電流が流れたときに発生する磁界の磁束密度が最小となる位置付近にＡＭＲ素子を配置しなければならないわけではない。本実施の形態では、閉塞シールド部３も設けているため、ケーブルＣに電流が流れたときに発生する磁界の磁束密度が最小となる位置から離れた位置にＡＭＲ素子２を配置している。

シールド本体１のＵ字形の連結部１２はケーブルＣの外周に沿うように湾曲しており、一対の側壁部１１，１１は一定の間隔を空けて平行に対向している。シールド本体１は、磁電変換素子（ＡＭＲ素子２）を外界からの磁界の影響から十分にシールドすることができ、ケーブルＣの電流の流れ方向に沿って延びるギャップを設けることができるのであれば、Ｃ字形やコの字形でもよい。

シールド本体１の連結部側にケーブルＣが配置され、ＡＭＲ素子２がギャップ４側に配置されている構成にすると、電流の測定範囲を拡げることができて、しかも感度の直線性を出し易いという利点がある。

本実施の形態の電流センサでは、０〜１００Ａの測定範囲における電流センサの感度の直線性が、±１％の範囲に入るよう、シールド本体１の厚み寸法と閉塞シールド部３の厚み寸法が定められる。

本実施の形態は、明確な理由はまだ分からないが、発明者の試験により得た、所定の厚みの閉塞シールド部を設けると感度の直線性が改善できるという知見を基礎とするものである。試験結果からは、シールド本体１の厚み寸法と閉塞シールド部３の厚み寸法を変えることにより、感度の直線性が変わることが判った。よって本実施の形態の電流センサにおいては、これらの厚みを適宜に変えて、０〜１００Ａの測定範囲における電流センサの感度の直線性が、±１％の範囲に入る電流センサを得ることができる。

図３は、試験結果の一例を示している。この試験は図１に示す基本構成において、ケーブルＣの直径を１０ｍｍとし、閉塞シールド部３の厚みを０（閉塞シールド部を設けない）から、０．２ｍｍ，０．５ｍｍ，０．７ｍｍ及び１．０ｍｍとし、シールド本体１の厚みを１ｍｍ，１．５ｍｍ及び２．０ｍｍとして電流検出の感度の直線性を試験した結果を示している。なおケーブルＣの直径のバラツキは±０．４ｍｍ、閉塞シールド部３の厚み及びシールド本体１の厚みのバラツキは±０．１ｍｍであった。なお図３の各試験データ中の例えば「＋０．１／−０．２」の表示は、出力直線性の値を意味している。この試験結果から、本実施の形態において、ケーブルＣの直径寸法は１０±０．４ｍｍ以上であり、その場合には、シールド本体１の連結部１２及び一対の側壁部１１，１１の厚みｔ１を１．５±０．１ｍｍ以上２．０±０．１ｍｍ以下とし、閉塞シールド部３の厚みｔ３を０．７±０．１ｍｍの範囲の値とすることにより、０〜１００Ａの測定範囲における電流センサの感度の直線性が、±１％の範囲に入る電流センサを実現することができることが確認できた。

本実施の形態の電流センサによれば、ケーブルＣを流れる電流の変化に対するＡＭＲ素子２の出力する信号の値の変化がほぼ比例関係にあり、±１％の範囲内の直線性を示す。従って、例えば電流計など、導体を流れる電流の変化を連続して正確に検知する必要がある場合に、本実施の形態の電流センサは非常に有用である。

上記の実施の形態では、シールド本体をＰＣパーマロイで形成したが、同等の性能を有するフェライトで形成してもよいのは勿論である。また上記実施の形態では、磁電変換素子としてＡＭＲ素子を用いたが、ＧＭＲ素子等のその他の磁電変換素子を用いることができるのは勿論である。

本発明によると、センサ感度の直線性に優れた、磁電変換素子を用いた電流センサを得ることができる。

１ シールド本体
２ ＡＭＲ素子
３ 閉塞シールド部
４ ギャップ
５ 信号処理回路
６ モールド部
１１ 側壁部
１２ 連結部
Ｃ ケーブル
ｔ１ シールド本体の連結部及び一対の側壁部の厚み
ｔ３ 閉塞シールド部の厚み

Claims (4)

1. 電流が流れる導体と、該導体の前記電流の流れ方向に延びる仮想中心線の回りを囲むように配置され、前記電流の流れ方向に沿って延びるギャップを有するシールド本体と、前記導体に電流が流れたときに発生する磁界の磁束密度を検知して電気信号に変換する磁電変換素子とを有する電流センサにおいて、
   前記シールド本体のギャップを塞ぐ閉塞シールド部を備え、
   前記シールド本体は、一対の側壁部と該一対の側壁部のそれぞれの一端を連結する連結部とが一体に形成されて構成されており、
   前記閉塞シールド部は前記一対の側壁部のそれぞれの他端に連結されて前記ギャップを閉塞しており、
   前記導体が前記連結部側に配置され、前記磁電変換素子が前記ギャップ側に配置されており、
   前記シールド本体及び前記閉塞シールド部が、ＰＣパーマロイ又はフェライトによって形成されており、
   前記電流センサの感度の直線性が、前記閉塞シールド部を備えていない場合の感度の直線性よりも良くなるように、前記シールド本体の厚み寸法と前記閉塞シールド部の厚み寸法が定められることを特徴とする電流センサ。
2. ０〜１００Ａの測定範囲における前記電流センサの感度の直線性が、±１％の範囲に入るように、前記シールド本体の厚み寸法と前記閉塞シールド部の厚み寸法が定められることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記磁電変換素子は、前記導体の周囲を囲むように発生する磁束による磁界の強さに比例して抵抗値が下がるＡＭＲ素子である請求項１または２に記載の電流センサ。
4. 前記連結部は、前記導体の外周に沿うように湾曲しており、前記一対の側壁部は一定の間隔をあけて平行に対向しており、
   前記導体の直径寸法が１０±０．４ｍｍ以上あり、前記連結部及び前記一対の側壁部の厚みが、１．５±０．１ｍｍ以上２．０±０．１ｍｍ以下であり、前記閉塞シールド部の厚みが０．７±０．１ｍｍの範囲の値である請求項１に記載の電流センサ。
   

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