JP2014006181A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】大電流に対応できる小型で検出精度の良い電流センサを提供する。
【解決手段】電流センサ１００は、被測定電流が流れるバスバー１０を囲む溝部２１を有する磁性体のコア２０と、溝部２１におけるバスバー１０よりも開口部２６の側に、検出方向を開口部２６の間隔方向に沿うように配置され、磁界の強さを検出する検出素子３０と、を備え、溝部２１は、開口奥側から少なくともバスバー１０の開口部２６の側の端部の位置まで開口幅が次第に広くなるように構成されると共に、検出素子３０が配設される位置における開口幅が前記端部の位置における開口幅以上となるように構成されてある。
【選択図】図１

Description

本発明は、導体に流れる電流を測定する電流センサに関する。

ハイブリッド自動車や電気自動車が有するモータを駆動するための電流や、工作機械のモータ等に流れる電流は、非常に大きいにも拘らず、その大電流を検知する電流センサは小型化、簡素化が求められている。このような要求を満たすべく電流センサを小型化すると、様々なセンサ性能を悪化させる要因が生じる。このため、その要因について対策を施す必要がある。

この種の電流センサとして磁性体コアを用いたものが利用される。このような電流センサにあっては、大電流を流した場合、磁性体内部の磁束密度が飽和磁束密度に近づくので磁性体の磁気特性の被測定電流に対する線形性が失われる。その結果、電流が大きくなると、電流センサの検出精度が悪化する。また、このような電流センサは、検出素子が拾う外乱磁界や、被測定電流を流した後の残留磁気による磁性体のヒステリシスによっても検出精度が悪化する。

電流センサを小型化することにより磁性体の断面積が小さくなると、磁気飽和し易くなり、また、ヒステリシス特性も悪化する。また、３相モータ等では、小型化により隣接する他相のバスバーとの間隔が近くなるので、他相電流に起因する磁界の影響が大きくなる。そこで、以下に記載するような対策が検討されてきた（例えば特許文献１−３）。

特許文献１に記載の電流計測装置は、磁性体コアと、第１及び第２磁気センサと、電流検出回路とを備えて構成される。磁性体コアは電流が流れる電流路を囲むように配置され、複数のギャップを備えて構成される。第１及び第２磁気センサは各々異なるギャップに配置される。電流検出回路は電流路に流れる電流を検出する際、第１磁気センサの出力と第２磁気センサの出力とから磁性体コアの残留磁束密度を補正して、ヒステリシスによる誤差を取り除く。

特許文献２に記載の電流センサは、集磁用コアと、磁気検出素子と、シールドコアとを備えて構成される。集磁用コアは中央の空間に被検出電流路を挟むように設けられたコア対から形成される。磁気検出素子はコア対のギャップに備えられ、集磁用コアにより集磁された磁気を検出する。シールドコアはコア対のギャップの間隔よりもコア対に近接し、被検出電流路を貫通して設けられる。

特許文献３に記載の電流センサは、被測定電流が流れる導体と、前記導体を囲うように配され、ギャップを有する環状の磁性シールド板と、前記環状の磁性シールド板の内側に配された磁電変換素子とを有して構成される。磁電変換素子は電流による磁界の磁束密度を検知する。当該磁電変換素子は、前記環状の磁性シールド板のギャップと前記導体との間において、導体に流れる電流に応じて発生する磁界の磁束密度が最小となる位置付近に配置される。

特開２００６−７１４５７号公報 特開２００７−１１４１１２号公報 特開２００８−１５１７４３号公報

特許文献１に記載の技術では、磁性体コアは、２つの略コの字状の磁性体を互いに向き合わせて２つのギャップを構成する。このような構成の場合、例えば、向かい合う磁性体の一方から他方へ向う方向の外部磁界を受けると、磁性体により集磁された外部磁界が第１及び第２磁気センサに達し、本来の測定に対して影響を与えてしまう。また、２つの磁気センサと被測定電流路との絶縁距離を確保するために、磁気センサが１つの場合に比べて大型化する。

特許文献２に記載の技術では、被検出電流路をシールド用コアが貫通しているので、貫通箇所の被検出電流路の断面積が小さくなる。このため、流れる電流に応じて当該貫通箇所の被検出電流路の断面積を大きくする必要があるので、その周囲を囲む集磁用コアも大きくなってしまう。また、コア対の２つのギャップに夫々磁気検出素子を備える場合には、当該２つの磁気検出素子と被検出電流路との絶縁性を確保するために所定の距離だけ離間させる必要がある。したがって、更に大型化する。

特許文献３に記載の技術では、磁性シールド板のギャップ外に磁電変換素子を配置して磁性シールド板の磁気飽和の影響を低減している。磁気飽和の影響を無視できるほど、低減するためには、磁性シールド板を磁電変換素子から大きく離す必要があるので、大型化してしまう。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、大電流に対応できる小型で検出精度の良い電流センサを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る電流センサの特徴構成は、
被測定電流が流れるバスバーを囲む溝部を有する磁性体のコアと、
前記溝部における前記バスバーよりも開口部の側に、検出方向を前記開口部の間隔方向に沿うように配置され、磁界の強さを検出する検出素子と、を備え、
前記溝部は、開口奥側から少なくとも前記バスバーの前記開口部の側の端部の位置まで開口幅が次第に広くなるように構成されると共に、前記検出素子が配設される位置における開口幅が前記端部の位置における開口幅以上となるように構成されてある点にある。

このような特徴構成とすれば、以下に示すようにコアの磁気飽和及びヒステリシスの影響を低減することができるので、電流センサの検出精度の悪化を抑制できる。

コアの溝部の内壁面を傾斜状に形成することができるので、検出素子付近の開口幅を広く取りつつ、検出素子とコアとで形成される磁気回路の磁路長を短くすることができ、コアのパーミアンス係数が小さくなり（すなわち、反磁界が大きくなり）、ヒステリシスを低減することが可能となる。

また、コアの開口幅が大きいので、検出素子付近の磁束密度勾配が緩やかにすることができる。このため、検出素子の位置変動による精度悪化を防止することができ、組み付け精度が低くても小型で検出精度の良い電流センサを構成することが可能となる。

また、前記溝部は、前記検出素子よりも前記開口部の側に、開口幅を狭める幅狭部が形成されてあると好適である。

このように、幅狭部により開口部の開口幅を狭めることで、外乱磁界が検出素子に到達することを防止することができる。

また、前記幅狭部は、前記開口部の側ほど開口幅を狭くすると好適である。

このような構成とすれば、幅狭部における開口部の間隔方向に垂直な断面積が開口幅が狭くなるにつれて減少するので、幅狭部の磁気抵抗を大きくすることができる。このため、外乱磁界による影響を防ぎつつ、より大きな電流の測定を行うことが可能となる。

また、前記溝部の内壁面のうち、前記間隔方向に沿って前記検出素子に対向する一対の面が、互いに平行に構成されてあると好適である。

このような構成とすれば、検出素子付近の間隔方向の磁束密度勾配を緩やかにすることができる。したがって、検出素子の位置変動による精度悪化を抑制することができる。

また、前記コアは、前記溝部における前記間隔方向外側の外壁面が互いに平行に構成されていると好適である。

例えば複数のバスバーが近接して存在する場合、コアの取り得る大きさは隣接するバスバー及びコアにより制限される。本構成によればコアのサイズを小さくすることができるので、コアを配設するスペースが限られたものであっても、コアの断面積を確保することができる。

第１の実施形態に係る電流センサを模式的に示した斜視図である。 第１の実施形態に係る電流センサを模式的に示した正面図である。 第２の実施形態に係る電流センサを模式的に示した正面図である。 第３の実施形態に係る電流センサを模式的に示した正面図である。 第４の実施形態に係る電流センサを模式的に示した正面図である。 その他の実施形態に係る電流センサを模式的に示した正面図である。 その他の実施形態に係る電流センサを模式的に示した正面図である。

１．第１の実施形態
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。本発明に係る電流センサ１００は、導体に流れる被測定電流を測定することが可能なように構成されている。ここで、導体に電流が流れる場合には、当該電流の大きさに応じて導体を軸心として磁界が発生する（アンペールの右手の法則）。本電流センサ１００は、このような磁界の強さを検出し、検出された磁界の強さに基づいて導体に流れる電流（電流値）を測定する。

図１には本実施形態に係る電流センサ１００の斜視図が示される。図１には、平板状の導体からなるバスバー１０が示されるが、当該バスバー１０が延在する方向を延在方向Ａとし、バスバー１０の厚さ方向をＢ、バスバー１０の幅方向をＣとする。図２には、バスバー１０の延在方向Ａ視における電流センサ１００を模式的に示した図が示される。ただし、検出素子３０が有するリード線は省略している。以下、図１及び図２を用いて説明する。

本電流センサ１００は、バスバー１０、コア２０、検出素子３０を備えて構成される。バスバー１０は、上述のように平板状の導体から構成される。例えば、このバスバー１０は、図示しない３相モータと当該３相モータに通電するインバータとを接続するのに利用される。バスバー１０には、Ａ方向に沿って被測定電流が流れ、本電流センサ１００により測定される。

本実施形態に係るコア２０は、Ｖ字状の溝部２１を有する金属磁性体よりなる平板を積層して形成される。上記金属磁性体は、軟磁性の金属であり、電磁鋼板（珪素鋼板）やパーマロイ、パーメンジュール等が相当する。コア２０の積層面は、図１及び図２におけるＢＣ面に平行な面となる。

コア２０は、図１及び図２のＡ方向視において、溝部２１がＶ字状を形成するように構成される。Ｖ字状とは、溝底部２２が鋭角的に形成されているものに限定されず、図１及び図２に示されるように溝底部２２が円弧状又は、円弧状の一部に直線部分を有する形状に形成されているものも含まれる。このようなコア２０には、溝底部２２の側にＡＣ面に平行なバスバー１０の面が、溝部２１の深さ方向（Ｃ方向）に一致し、且つコア２０の積層方向（Ａ方向）と被測定電流の流れ方向を一致させて挿通される。このように、バスバー１０は、溝部２１により囲まれる。コア２０に挿通されたバスバー１０は、少なくともコア２０の内壁面２４と空隙を有して構成される。これにより、コア２０とバスバー１０とを絶縁することが可能となる。

検出素子３０は、溝部２１におけるバスバー１０よりも開口部２６の側に、検出方向を開口部２６の間隔方向（Ｂ方向）に沿うように配置される。開口部２６とは、溝部２１の開口端部である。このため、検出素子３０は、バスバー１０よりも溝部２１の開口端部に近い側に配置される。また、コア２０の溝部２１に配置された検出素子３０とバスバー１０との間は、空隙を有して構成される。これにより、検出素子３０とバスバー１０とを絶縁することが可能となる。ここで、コア２０には、バスバー１０に流れる電流に応じて生じた磁界が集磁される。集磁された磁界は、検出素子３０の配された近傍ではコア２０の開口部２６の間隔方向（Ｂ方向）の磁界となる。

検出素子３０は、検出方向をＢ方向に一致させて配置される。したがって、バスバー１０に流れる被測定電流により形成される磁界の強さを効果的に検出することが可能となる。

また、コア２０は、溝部２１が、開口奥側から少なくともバスバー１０の開口部２６の側の端部の位置まで開口幅が次第に広くなるように構成される。開口奥側とは、溝部２１を開口部２６の側から見て溝底部２２の側である。また、バスバー１０の開口部２６の側の端部とは、バスバー１０の構成部位のうち、最も開口部２６に近い部位である。本実施形態では、図２において符号Ｕで示した、バスバー１０の上端面１１が相当する。開口幅とは、溝部２１が開口しているＢ方向の幅が相当する。図２では、上端面１１における開口幅は符号Ｕ１を付して示される。このように、コア２０は、溝部２１が、溝底部２２の側から少なくともバスバー１０の上端面１１の位置（Ｕの位置）までＢ方向の幅が次第に広くなるように構成される。このように、コア２０の開口奥側から開口部２６へ向って開口幅が拡がることにより、開口部２６における磁気抵抗が増大して発生する磁束が減少する。そのため、コアを大きくすることなく、コア内部の磁束密度を少なくすることができる。

更に、本実施形態に係るコア２０は、溝部２１における間隔方向外側の外壁面２３が互いに平行に構成される。間隔方向外側とは、Ｂ方向に直交する方向におけるコア２０の外側である。これにより、例えばコア２０を複数、並べた場合でも互いに隣接する２つのコア２０の間隔を最小限にすることができる。したがって、電流センサ１００を小型化できる。

これにより、コア２０の構成部位の中で、開口部２６付近における側壁部４１をＣ方向に垂直に切断したときの断面積よりも、開口奥側（溝底部２２）付近において側壁部４１をＣ方向に垂直に切断したときの断面積の方を広く構成することができる。ここで、このような形状の磁性体においては、溝底部２２に近い部位ほどコア内磁束が多くなる。また、開口部２６側において側壁部４１をＣ方向に垂直に切断したときの断面積が大きい程、溝底部２２側において側壁部４１をＣ方向に垂直に切断した断面の磁束密度が高くなる。したがって、開口部２６側の側壁部４１の断面積を小さくすることで小型化でき、且つ、溝底部２２側の側壁部４１の断面の磁束密度を低く保ち、磁気飽和を抑制することができる。

また、底部４２をＢ方向に垂直に切断したときの断面積が、溝底部２２付近において側壁部４１をＣ方向に垂直に切断したときの断面積よりも大きくなるように構成することで、底部４２の断面の磁束密度を低く保ち、磁気飽和を抑制することができる。

また図２で示すように、溝部２１は、検出素子３０が配設される位置における開口幅Ｖ１がバスバー１０の開口部２６の側の端部（上端面１１）の位置における開口幅Ｕ１以上となるように構成される。検出素子３０が配設される位置とは、符号Ｖを付した位置が相当する。また、バスバー１０の開口部２６の側の端部の位置とは、上述のようにＵの位置である。したがって、溝部２１は、Ｖの位置の開口幅Ｖ１がＵの位置における開口幅Ｕ１以上となるように構成される。もちろん、開口幅Ｖ１を開口幅Ｕ１と等しく構成することも当然に可能である。

２．第２の実施形態
次に、本発明に係る第２の実施形態について説明する。上記第１の実施形態では、溝部２１が、溝底部２２から開口部２６まで開口幅が次第に広くなるように構成されているとして説明した。本実施形態に係る溝部２１は、溝底部２２から開口部２６まで開口幅が次第に広くなるように構成されていない点で上記第１の実施形態と異なる。それ以外の点については、上記第１の実施形態と同様であるので、以下では異なる点を中心に説明する。

図３には、本実施形態に係る電流センサ１００の正面図が示される。本実施形態に係る検出素子３０は、上記第１の実施形態と同様に、コア２０の溝部２１において、バスバー１０よりも開口部２６の側に配設される。また、溝部２１は、第１の実施形態と同様に、開口奥側から少なくともバスバー１０の開口部２６の側の端部の位置まで開口幅が次第に広くなるように構成される。ここで、本実施形態では、溝部２１の内壁面２４のうち、間隔方向に沿って検出素子３０に対向する一対の面２５が、互いに平行に構成される。

溝部２１の内壁面２４とは、溝部２１を構成する全ての面である。すなわち、溝底部２２から開口部２６までに至る全ての面が相当する。間隔方向に沿って検出素子３０に対向するとは、Ｂ方向に沿って対向することを意味する。したがって、一対の面２５は、検出素子３０をＢ方向に沿って挟む溝部２１の内壁面２４が相当する。このような内壁面２４の一部である一対の面２５は、Ｂ方向に直交するように平行に設けられる。したがって、一対の面２５による開口幅は、一定値となる。

本実施形態では、溝部２１は、検出素子３０よりも開口部２６の側の内壁面２４が互いに平行に構成される。もちろん、一対の面２５のみを互いに平行になるように構成し、検出素子３０よりも開口部２６の側の開口幅が一対の面２５における開口幅よりも広くなるように構成することも可能である。

３．第３の実施形態
次に、本発明に係る第３の実施形態について説明する。上記第１の実施形態では、溝部２１が、溝底部２２から開口部２６まで開口幅が次第に広くなるように構成されているとして説明した。本実施形態に係る溝部２１は、溝底部２２から次第に広くなるように構成された開口幅が開口部２６の側において漸次狭くなるように構成されている点で上記第１の実施形態と異なる。それ以外の点については、上記第１の実施形態と同様であるので、以下では異なる点を中心に説明する。

図４には、本実施形態に係る電流センサ１００の正面図が示される。本実施形態に係る検出素子３０は、上記第１の実施形態と同様に、コア２０の溝部２１において、バスバー１０よりも開口部２６の側に配設される。また、溝部２１は、検出素子３０よりも開口部２６の側に、開口幅を狭める幅狭部４４が形成されている。本実施形態では、幅狭部４４は、開口部２６の側ほど開口幅を狭くするように構成されている。すなわち、幅狭部４４における開口部２６の間隔方向に垂直な断面積が開口幅が狭くなるにつれて減少するように構成されている。

図４に示されるように、幅狭部４４は開口部２６においてＢ方向に突出するように設けられる。本実施形態では、幅狭部４４は三角形状の凸状部として内壁面２４に付設される。図４に示されるように、内壁面２４において次第に広がっていた開口幅が狭くなる変曲部２９は、検出素子３０よりも開口部２６の側に位置するように構成される。

４．第４の実施形態
次に、本発明に係る第４の実施形態について説明する。上記第３の実施形態では、溝部２１が、溝底部２２から変曲部２９まで開口幅が次第に広くなるように構成されているとして説明した。本実施形態に係る溝部２１は、検出素子３０に対向する一対の面２５が形成されている点で上記第３の実施形態と異なる。それ以外の点については、上記第３の実施形態と同様であるので、以下では異なる点を中心に説明する

図５には、本実施形態に係る電流センサ１００の正面図が示される。本実施形態に係る検出素子３０は、上記第３の実施形態と同様に、コア２０の溝部２１において、バスバー１０よりも開口部２６の側に配設される。また、溝部２１は、第１の実施形態と同様に、開口奥側から少なくともバスバー１０の開口部２６の側の端部の位置まで開口幅が次第に広くなるように構成される。溝部２１は、溝部２１の内壁面２４のうち、間隔方向（Ｂ方向）に沿って検出素子３０に対向する一対の面２５が、互いに平行に構成される。一対の面２５は、上記第２の実施形態と同様であるので説明は省略する。

５．本発明の効果
このように本電流センサ１００によれば、コア２０の開口部２６付近から開口奥側に向ってコア２０の断面積を大きくすることにより、溝底部２２付近の磁束密度を低減することができる。また、コア２０の開口部２６へ向って開口幅が拡がることにより、開口部２６の磁気抵抗が増大して発生する磁束が減少する。そのため、コア２０を大きくすることなく、コア２０内部の磁束密度を少なくすることができ、大電流を流したとしても、精度よく検出できる。

また、コア２０の溝部２１の内壁面２４を傾斜状に形成することができるので、検出素子３０付近の開口幅を広く取りつつ、検出素子３０とコア２０とで形成される磁気回路の磁路長を短くすることができ、コア２０のパーミアンス係数が小さくなり（すなわち、反磁界が大きくなり）、ヒステリシスを低減することが可能となり、電流センサ１００の精度を向上することができる。

更には、コア２０の開口幅が大きいので、検出素子３０付近の磁束密度勾配を緩やかにすることができる。このため、検出素子３０の位置変動による精度悪化を防止することができ、検出精度の良い電流センサ１００を構成することが可能となる。

６．その他の実施形態
上記実施形態では、コア２０は、溝部２１における間隔方向外側の外壁面２３が互いに平行に構成されているとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。図６に示されるように、Ａ方向視におけるコア２０の外壁面２３と底部４２の底面４３とのなす角θが鋭角になるように構成することも当然に可能である。或いは、図７に示されるように、Ａ方向視におけるコア２０の外壁面２３と底部４２の底面４３とのなす角θが、内壁面２４と底面４３とのなす角ηよりも小さければ、なす角θが鈍角となるようにコア２０を構成することも可能である。このような場合であっても、コア２０の側壁部４１の断面積が開口部２６の側から底部４２の側に近づくにつれて、断面積が広くなるように構成することができるので上記実施形態と同様の効果を奏することが可能である。

上記実施形態では、幅狭部４４が、間隔方向に突出する三角形状で構成されてあるとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。幅狭部４４を円弧状部で構成することも当然に可能である。

上記実施形態では、溝部２１がＡ方向視においてＶ字状に形成されているとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。溝部２１の開口幅がＡ方向視において溝底部２２から次第に広がる円弧状に形成することも可能である。また、開口幅が次第に広がるようであれば、内壁面２４が波型形状で構成することも当然に可能である。

上記実施形態では、幅狭部４４が、互いに対向する側壁部４１の双方に設けられてあるように図示した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。幅狭部４４を、互いに対向する側壁部４１の一方にのみ設ける構成とすることも当然に可能である。

本発明は、導体に流れる電流を測定する電流センサに用いることが可能である。

１０：バスバー
２０：コア
２１：溝部
２３：外壁面
２４：内壁面
２５：一対の面
２６：開口部
３０：検出素子
４４：幅狭部
１００：電流センサ

Claims (5)

1. 被測定電流が流れるバスバーを囲む溝部を有する磁性体のコアと、
   前記溝部における前記バスバーよりも開口部の側に、検出方向を前記開口部の間隔方向に沿うように配置され、磁界の強さを検出する検出素子と、を備え、
   前記溝部は、開口奥側から少なくとも前記バスバーの前記開口部の側の端部の位置まで開口幅が次第に広くなるように構成されると共に、前記検出素子が配設される位置における開口幅が前記端部の位置における開口幅以上となるように構成されてある電流センサ。
2. 前記溝部は、前記検出素子よりも前記開口部の側に、開口幅を狭める幅狭部が形成されてある請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記幅狭部は、前記開口部の側ほど開口幅を狭くする請求項２に記載の電流センサ。
4. 前記溝部の内壁面のうち、前記間隔方向に沿って前記検出素子に対向する一対の面が、互いに平行に構成されてある請求項１から３の何れか一項に記載の電流センサ。
5. 前記コアは、前記溝部における前記間隔方向外側の外壁面が互いに平行に構成されている請求項１から４の何れか一項に記載の電流センサ。

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