JP2013015437A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】センサの特性のばらつきを抑制して電流の検出精度を向上できる、電流センサを提供する。
【解決手段】バスバー１００を伝達する電流を検出する電流センサ１は、バスバー１００に取り付けられた台座部１０と、台座部１０に搭載された磁性薄膜２０と、磁性薄膜２０に光を照射する発光装置と、発光装置から磁性薄膜２０に照射され磁性薄膜２０で反射した光を検出する受光装置と、受光装置によって検出された光信号を、バスバー１００を伝達する電流に変換する差動増幅器と、磁性薄膜２０のバスバー１００に対する相対回転を規制する収容部材３０およびピン４０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電流センサに関し、特に、磁性薄膜を用いて光により電流を検出する電流センサに関する。

光による電流測定装置に関し、従来、光源から出射された光が、偏光子で直線偏光に変換され、その直線偏光の偏光方向が、磁気光学素子で磁気光学効果により回転され、その任意の方向の直線偏光が、検光子で直交する二つの偏光成分に分離してそれぞれ異なった方向へ出射され、その二つの偏光成分に分離された光の強度が、２個の受光素子でそれぞれ個別に電気信号に変換される、電流測定装置が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

また、バスバーを流れる電流値を検出する電流センサに関し、磁気コアを保持するコア保持体にボスが設けられ、バスバーにボスと嵌合する孔が設けられ、バスバー上に磁気コアを位置決め固定する技術が開示されている（たとえば、特許文献２参照）。

特開平７−１７４７９０号公報 特開２００８−２７５５６６号公報

従来の磁気ディスクや光磁気ディスクへの情報の読み書きに利用されている、磁性薄膜を用いた光による電流検出においては、磁性膜に対する磁界の印加方向によって電流検出の感度が変化するという特性がある。つまり、電流センサの組み付け時に磁界を検出する磁性薄膜の搭載位置のずれが生じると、磁性薄膜に対する磁界の印加方向にもずれが生じ、磁性薄膜の磁化のしやすさが変化する。そのため、たとえばより小さい磁界で磁化したり逆に大きな磁界を印加しないと磁化しないなど、磁性薄膜の特性に差が生じる。その磁性薄膜の特性の差がそのまま電流センサの特性として現れる結果、電流センサの特性にずれが生じてしまう問題があった。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、センサの特性のばらつきを抑制して電流の検出精度を向上できる、電流センサを提供することである。

本発明に係る電流センサは、電流を伝達するバスバーを備え、バスバーを伝達する電流を検出する電流センサであって、バスバーに取り付けられた台座部と、台座部に搭載された磁性薄膜と、磁性薄膜に光を照射する発光装置と、発光装置から磁性薄膜に照射され磁性薄膜で反射した光を検出する受光装置と、受光装置によって検出された光信号を、バスバーを伝達する電流に変換する演算装置と、磁性薄膜のバスバーに対する相対回転を規制する回転規制部と、を備える。

上記電流センサにおいて好ましくは、回転規制部は、磁性薄膜の台座部への搭載位置を規制する搭載位置規制部と、台座部のバスバーに対する相対回転を規制する台座固定部と、を含む。

上記電流センサにおいて好ましくは、搭載位置規制部は、磁性薄膜を囲繞する壁部を有する。

上記電流センサにおいて好ましくは、台座固定部は、台座部からバスバー側へ突起してバスバーに形成された基準穴に挿通される、基準ピンを有する。

上記電流センサにおいて好ましくは、磁性薄膜に照射される入射光と、磁性薄膜で反射する反射光との経路の、磁性薄膜の表面に対する角度を規制する、制限部材を備える。

本発明の電流センサによると、センサの特性のばらつきを抑制できることにより、電流の検出精度を向上することができる。

本実施の形態の電流センサの構成を示す断面図である。 電流センサの平面図である。 図２中に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う電流センサの断面図である。 電流センサの分解斜視図である。 電流センサに使用される光学系の構成を示す模式図である。 磁性薄膜が位置決めされた状態を示す平面模式図である。 磁性薄膜の位置ずれが発生した状態を示す平面模式図である。

以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。

図１は、本実施の形態の電流センサ１の構成を示す断面図である。図２は、電流センサ１の平面図である。図３は、図２中に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う電流センサ１の断面図である。図４は、電流センサ１の分解斜視図である。図１〜図４を参照して、本実施の形態に係る電流センサ１の構成について説明する。

電流センサ１は、細長い棒状の導電性であるバスバー１００を伝達する電流を検出するためのセンサである。電流センサ１は、結晶磁気異方性を有する材料により形成された、磁性薄膜２０を備える。磁性薄膜２０は、台座部１０に搭載されている。

台座部１０は、磁性薄膜２０を搭載する平板状の本体部１２と、本体部１２の一方の面から突出する一対の脚部１６とを有する。本体部１２の、脚部１６が突出する側の面と反対側の表面には、本体部１２の一部が窪んだ平面形状矩形状の窪み部１４が形成されている。脚部１６の先端には、爪部１８が設けられている。台座部１０はたとえば、樹脂材料により形成されている。

バスバー１００には、バスバー１００を厚み方向に貫通する貫通孔１０２が形成されている。脚部１６が貫通孔１０２に挿通され、貫通孔１０２を貫通する脚部１６の下端の爪部１８がバスバー１００の反対面側に係合することにより、台座部１０はバスバー１００に固定されている。なお、貫通孔１０２への爪部１８の係合によって台座部１０がバスバー１００に固定される構成に限られず、たとえば台座部１０がバスバー１００にネジ止めされて固定されてもよい。

バスバー１００には、一対の基準穴としての貫通孔１０３が、バスバー１００を厚み方向に貫通して形成されている。台座部１０の本体部１２には、本体部１２を厚み方向に貫通する一対の貫通孔１３が形成されている。台座部１０の脚部１６をバスバー１００の貫通孔１０２に嵌合して本体部１２をバスバー１００の表面上に載置する状態で、貫通孔１３と貫通孔１０３とが互いに重なるように、貫通孔１３，１０３は形成されている。台座部１０がバスバー１００に組み付けられた状態で、貫通孔１３，１０３を貫通するように、基準ピンとしてのピン４０が配置される。

台座部１０の本体部に形成された窪み部１４には、磁性薄膜２０を収容する収容部材３０が嵌合される。磁性薄膜２０は、収容部材３０を介在させて、台座部１０に搭載される。収容部材３０には磁性薄膜２０を収容するための収容穴が形成されている。収容穴の底面３２に磁性薄膜２０の裏面が接触し、収容穴の内壁面３４に磁性薄膜２０の横端面が対向するように、収容穴は形成される。磁性薄膜２０の形状が正方形状の平板の場合、収容穴の平面形状もまた正方形状とされる。収容穴の径は、磁性薄膜２０の差し渡し長さに対し等しいまたは僅かに小さいので、収容穴の内部に収容された磁性薄膜２０の収容部材３０に対する位置ずれが抑制される。

収容部材３０を平面視したときの形状は矩形状であり、その収容部材３０の中央部に、平面形状が正方形状の収容穴が形成される。収容部材３０の長辺側において、収容穴から収容部材の縁部へ向かってテーパ状に収容部材３０の厚みが増加している。当該テーパ状の部分は、収容穴に収容された磁性薄膜２０の表面２２へ照射される入射光、および、当該入射光が磁性薄膜２０の表面２２で反射する反射光の経路の、磁性薄膜２０の表面２２に対する角度を規制する、制限部材３６として機能する。

図５は、電流センサ１に使用される光学系の構成を示す模式図である。なお図５および後述する図６，７では、簡単のために、図１〜４で説明した電流センサ１の構成のうち、出力電流を伝達するためのバスバー１００、および、バスバー１００に搭載された磁性薄膜２０のみが図示されている。電流センサ１は、バスバー１００上に取付固定された磁性薄膜２０により、バスバー１００を流れる電流を検出する。

図５に示すように、発光装置５０で発生した光は、偏光プリズム５２および集光レンズ５４を経由して、磁性薄膜２０に照射される。磁性薄膜２０の表面で反射された反射光は、集光レンズ５４、１／４波長板５６を経由してビームスプリッタ５８へ入り、ビームスプリッタ５８で分離されてフォトダイオード６１，６２に入射する。フォトダイオード６１，６２は、発光装置５０から磁性薄膜２０に照射され磁性薄膜２０で反射した光を検出する受光装置６０に含まれる。フォトダイオード６１，６２は、それぞれのフォトダイオード６１，６２に入射する光の強度を検出し、差動増幅器７０に入力する。差動増幅器７０は、フォトダイオード６１，６２によって検出された光信号を、バスバー１００を伝達する電流に変換する、演算装置である。

バスバー１００に電流が流れないとき、二つのフォトダイオード６１，６２に入射される光の強度は等しいので、フォトダイオード６１，６２の出力を入力とする差動増幅器７０の出力はゼロとなる。一方、バスバー１００に電流が流れると、バスバー１００のまわりに磁界が発生して、磁性薄膜２０に磁界が印加される。図５中には、バスバー１００を伝達する電流の流れの方向ＣＤと、その電流によって発生する磁界による磁性薄膜２０の磁化方向ＭＤが図示されている。磁性薄膜２０の磁気モーメントが回転することで、ビームスプリッタ５８で分離され二つのフォトダイオード６１，６２に入射する光の強度が変わり、フォトダイオード６１，６２の入射光強度に差分が生じるので、差動増幅器７０に出力が現れる。

以上の構成を備える電流センサ１を使用してバスバー１００を伝達する電流を検出するときの、磁性薄膜２０の位置ずれの影響について説明する。図６は、磁性薄膜２０が位置決めされた状態の電流センサ１を示す平面模式図である。図７は、磁性薄膜２０の位置ずれが発生した状態の電流センサ１を示す平面模式図である。図６および図７では、図中の下から上へ向かって矢印ＣＤに示すようにバスバー１００内を電流が流れ、その電流によって発生する磁界の磁性薄膜２０の位置における方向が矢印ＭＤで示される。

磁性薄膜２０の形成材料が有する結晶磁気異方性により、磁性薄膜２０は、磁化されやすい結晶方位（磁化容易軸）と磁化困難な結晶方位（磁化困難軸）とを有する。図６および図７には、二点鎖線ＥＭＡにより磁化容易軸が示され、二点鎖線ＨＭＡにより磁化困難軸が示される。

図６に示す磁性薄膜２０が位置決めされた状態は、バスバー１００を伝達する電流の方向ＣＤに磁化容易軸ＥＭＡが沿い、磁性薄膜２０における磁界の方向ＭＤに磁化困難軸ＨＭＡが沿うように、バスバー１００に対し磁性薄膜２０の相対位置が定められた状態である。図６に示す位置決めされた状態は、バスバー１００を流れる電流によって発生する磁界が磁化困難軸ＨＭＡの方向において磁性薄膜２０に印加する、理想的な状態である。

一方、図７に示す磁性薄膜２０が位置ずれした状態は、バスバー１００に対し磁性薄膜２０が角度θ分相対回転し、その結果磁化容易軸ＥＭＡおよび磁化困難軸ＨＭＡがそれぞれ電流の方向および磁界の方向ＭＤから角度θだけずれた状態である。図７に示す位置ずれした状態では、図６に示す理想状態のとき磁性薄膜２０に印加する磁界の大きさのｃｏｓθ倍の大きさの磁界が磁化困難軸ＨＭＡの方向において磁性薄膜２０に印加し、理想状態のとき磁性薄膜２０に印加する磁界の大きさのｓｉｎθ倍の大きさの磁界が磁化容易軸ＥＭＡの方向において磁性薄膜２０に印加する。

磁性薄膜２０の位置ずれが生じると、理想状態に対し、磁性薄膜２０の磁化方向が一方向に揃わなくなり、磁性薄膜２０に対する磁界の印加方向が変化する課題が生じる。その結果、磁性薄膜２０の表面２２で反射する反射光に特性差が生じ、電流センサ１としての特性に差が生じるので、電流検出の感度が低下して、電流センサ１の計測精度が低下する問題がある。そのため、電流センサ１の計測精度を向上するために、バスバー１００に対する磁性薄膜２０の相対位置を図６に示す理想状態に保つことが、重要視されることになる。

そのため、本実施の形態の電流センサ１は、磁性薄膜２０のバスバー１００に対する相対回転を規制するための、回転規制部を備える。本実施の形態の場合、回転規制部は、磁性薄膜２０の台座部１０への搭載位置を規制する搭載位置規制部と、台座部１０のバスバー１００に対する相対回転を規制する台座固定部と、を含む。

図１〜４に示す、磁性薄膜２０を収容する収容部材３０は、搭載位置規制部として機能する。収容部材３０の収容穴に磁性薄膜２０が収容された状態で、磁性薄膜２０は収容穴の内壁面３４によって囲繞される。収容穴の内壁面３４は、収容穴の内部に収容された状態の磁性薄膜２０を囲繞する縦壁部として機能する。台座部１０に形成された窪み部１４内に嵌合される収容部材３０に、磁性薄膜２０を固定するための縦壁部が設けられることにより、台座部１０に対する磁性薄膜２０の位置ずれが規制される。

図１〜４に示すピン４０は、台座固定部として機能する。基準ピンとしての二本のピン４０が、台座部１０に形成された貫通孔１３と、バスバー１００に形成された基準穴としての貫通孔１０３と、に亘って配置されることにより、バスバー１００に対する磁性薄膜２０の回転方向の位置ずれが規制される。

なお基準ピンは、台座部１０からバスバー１００側へ突起して貫通孔１０３に挿通されるものであればどのような構成でもよいので、台座部１０およびバスバー１００と別の部材であるピン４０を使用する例に限られない。たとえば、台座部１０の本体部１２の一部に突起が形成され当該突起が貫通孔１０３に挿通されてもよい。またたとえば、貫通孔１０３がバスバー１００を厚み方向に貫通していなくてもよく、台座部１０の本体部１２が載置される側のバスバー１００の表面から窪んで形成された有底の穴に基準ピンが挿通されてもよい。

以上説明したように、本実施の形態の電流センサ１では、バスバー１００に対して磁性薄膜２０が位置決めされて、バスバー１００に対する磁性薄膜２０の相対回転が規制される。磁性薄膜２０のバスバー１００への搭載位置を規制し、バスバー１００への磁性薄膜２０の組付け時のバラつきを最小限に抑える構造にすることで、磁性薄膜２０のバスバー１００に対する位置ずれが抑制でき、電流センサ１の特性のばらつきを抑制することができる。したがって、電流センサ１による電流の検出精度を向上することができる。

また電流センサ１には、磁性薄膜２０に対する入射光および反射光の角度を規制する制限部材が設けられている。磁性薄膜２０に対する光の入射角および反射角は、入射光および反射光の進行方向と磁性薄膜２０の表面に対する垂線との間の角度として定義されるが、入射角および反射角が大きすぎると、電流センサ１の感度が低下することが懸念される。磁性薄膜２０の周囲に、磁性薄膜２０の厚みに対して十分な高さを有する制限部材３６を配置することにより、入射角および反射角の範囲を適切に制限して、電流センサ１の感度を最適にすることができる。

以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、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。この発明の範囲は上記した説明ではなくて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、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の電流センサ１は、電気自動車用の電動機を駆動するために用いられるインバータを流れる電流を検出するための、インバータ用電流センサに、特に有利に適用され得る。

１ 電流センサ、１０ 台座部、１２ 本体部、１３，１０２，１０３ 貫通孔、１４ 窪み部、１６ 脚部、１８ 爪部、２０ 磁性薄膜、２２ 表面、３０ 収容部材、３２ 底面、３４ 内壁面、３６ 制限部材、４０ ピン、５０ 発光装置、６０ 受光装置、６１，６２ フォトダイオード、７０ 差動増幅器、１００ バスバー、ＣＤ 電流の方向、ＥＭＡ 磁化容易軸、ＨＭＡ 磁化困難軸、ＭＤ 磁界の方向。

Claims (5)

1. 電流を伝達するバスバーを備え、前記バスバーを伝達する電流を検出する電流センサであって、
   前記バスバーに取り付けられた台座部と、
   前記台座部に搭載された磁性薄膜と、
   前記磁性薄膜に光を照射する発光装置と、
   前記発光装置から前記磁性薄膜に照射され前記磁性薄膜で反射した光を検出する受光装置と、
   前記受光装置によって検出された光信号を、前記バスバーを伝達する電流に変換する演算装置と、
   前記磁性薄膜の前記バスバーに対する相対回転を規制する回転規制部と、を備える、電流センサ。
2. 前記回転規制部は、前記磁性薄膜の前記台座部への搭載位置を規制する搭載位置規制部と、前記台座部の前記バスバーに対する相対回転を規制する台座固定部と、を含む、請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記搭載位置規制部は、前記磁性薄膜を囲繞する壁部を有する、請求項２に記載の電流センサ。
4. 前記台座固定部は、前記台座部から前記バスバー側へ突起して前記バスバーに形成された基準穴に挿通される、基準ピンを有する、請求項２または請求項３に記載の電流センサ。
5. 前記磁性薄膜に照射される入射光と、前記磁性薄膜で反射する反射光との経路の、前記磁性薄膜の表面に対する角度を規制する、制限部材を備える、請求項１から請求項４のいずれかに記載の電流センサ。

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