JP5704347B2 - 電流センサ - Google Patents

Description

本発明は、例えばハイブリッドカーや電気自動車のバッテリー電流やモータ駆動電流を測定する電流センサに関し、特に、ホール素子等の感磁素子を用いてバスバーに流れる電流を測定する電流センサに関する。

ホール素子等の感磁素子を用いてバスバーに流れる電流（被測定電流）を非接触状態で検出する電流センサとして、空隙を有するリング状の磁気コアと、空隙に配置された感磁素子とを有する磁気比例式のものが従来から知られている。この種の電流センサに関し、下記特許文献１は、応答性の改善のために、「磁気ギャップ２を有する磁気コア３と、この磁気コア３に巻回した電流線４と、前記磁気コア３の磁気ギャップ２に配置した磁電変換素子５と、この磁電変換素子５と増幅器６の入力端子とを接続した配線７ａ〜７ｄとを備え、前記配線７ｄは、磁気ギャップ２外に引出した後、再度磁気コア３をその長手方向に対して交差する方向に横切らせた」との構成を開示する（特許文献１の［要約］）。これによれば、電流線に流れる電流によって磁気コアに磁束が流れた場合にその磁束によって配線には急峻な電圧を発生させることが出来、そしてこの電圧を増幅器へと供給することが出来るので、増幅器においては、はじめから大きな出力電圧を出力することが出来るようになり、これが電流検出器としての応答性を高めることにつながるとしている（特許文献１の段落［０００８］）。

特開２００１−２８１２７１号公報

特許文献１の電流センサではリング状の磁気コアのギャップ中に磁電変換素子を配置しなければならないため、電圧を誘起する導体部のレイアウトに制約があって微妙な設計が出来ず、応答速度の微妙な調整が困難であるという問題があった。

本発明はこうした状況を認識してなされたものであり、その目的は、応答速度向上のための誘導起電力を発生する導体部のレイアウトの自由度が従来と比較して高い電流センサを提供することにある。

本発明のある態様は、電流センサである。この電流センサは、
バスバーと、
２つの空隙を介して相互に対向する２つの磁性体と、
前記２つの磁性体の間であって前記空隙を除く位置に設けられ、前記バスバーに流れる電流によって発生する磁界が感磁面に印加される感磁素子と、
前記感磁素子の出力信号を増幅する増幅器と、
前記バスバーに流れる電流によって発生する磁界が印加され、当該磁界の変化に応じた誘導起電力を発生する導体部とを備え、
前記導体部は、前記２つの磁性体の間の前記空隙の双方ないしそれらの近傍にそれぞれ配置され、各導体部の発生する誘導起電力が前記増幅器の入力側に加えられる。

本発明のもう１つの態様は、電流センサである。この電流センサは、
バスバーと、
２つの空隙を介して相互に対向する２つの磁性体と、
前記２つの磁性体の間であって前記空隙を除く位置に設けられ、前記バスバーに流れる電流によって発生する磁界が感磁面に印加される感磁素子と、
前記感磁素子の出力信号を増幅する増幅器と、
前記バスバーに流れる電流によって発生する磁界が印加され、当該磁界の変化に応じた誘導起電力を発生する導体部とを備え、
前記導体部は、前記２つの磁性体の間の前記空隙の双方ないしそれらの近傍にそれぞれ配置され、各導体部の発生する誘導起電力が前記増幅器の出力側に加えられる。

前記導体部は、前記バスバーに流れる電流によって発生する磁界が貫通するコイルであってもよい。

前記感磁素子を搭載する基板を備え、前記基板が前記２つの磁性体の間の前記２つの空隙同士を渡すように配置され、前記導体部が前記基板上のパターンとして形成されていてもよい。

前記感磁素子を搭載する基板上を除く位置に前記導体部が設けられていてもよい。

前記バスバーに電流が流れたときに、対向する前記２つの磁性体が互いに逆方向に磁化され、
一方の前記磁性体が磁化されたことにより発生する磁界と、他方の前記磁性体が磁化されたことにより発生する磁界とによって、前記感磁素子に印加される磁界が弱まる位置に前記感磁素子を配置してもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法やシステムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、感磁素子が２つの磁性体の間であって空隙を除く位置に設けられるため、応答速度向上のための誘導起電力を発生する導体部のレイアウトの自由度が従来と比較して高い電流センサを実現可能である。

本発明の実施の形態１に係る電流センサ１の構成を示す概略斜視図。 図１に示す電流センサ１の原理説明図。 実施の形態の電流センサ１の出力信号と比較例の出力信号との比較タイムチャート。 本発明の実施の形態２に係る電流センサ２の原理説明図。 本発明の実施の形態３に係る電流センサ３の原理説明図。 本発明の実施の形態４に係る電流センサ４の原理説明図。 本発明の実施の形態５に係る電流センサ５の構成を示す概略斜視図。 本発明の実施の形態６に係る電流センサ６の構成を示す概略斜視図。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を詳述する。なお、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材等には同一の符号を付し、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は発明を限定するものではなく例示であり、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、本発明の実施の形態１に係る電流センサ１の構成を示す概略斜視図である。電流センサ１は、被測定電流が流れる導体であるバスバー１０と、感磁素子２０（ホールＩＣ又はホール素子）と、感磁素子２０を搭載した絶縁基板４０と、断面コ字状磁性体３０Ａ,３０Ｂ（磁性体コア）と、導体部５１（電磁誘導部）とを備える。各部材の相対位置関係は、不図示のケース等で固定される。

バスバー１０は、平板形状（例えば銅板）である。対をなす磁性体３０Ａ,３０Ｂは、両端縁がそれぞれ空隙Ｇを隔てて対向し、バスバー１０が貫通する環状部を成す。磁性体３０Ａ,３０Ｂは、好ましくは同材質（保持力が同じ）かつ同形状の半角筒形状の高透磁率磁性材であって、例えば電磁鋼板を断面コ字状に折曲げ加工したものである。そして、一対の磁性体３０Ａ,３０Ｂは、全体として感磁素子２０とこれが配置されているバスバー部分とを内側に取り囲んで、外部磁界から磁気遮蔽するものである。

絶縁基板４０は、磁性体３０Ａ,３０Ｂの間の２つの空隙Ｇ同士を渡すように配置される。感磁素子２０は、磁性体３０Ａ,３０Ｂの間であって空隙Ｇを除く位置において絶縁基板４０上に搭載されてバスバー１０に対して固定配置され、バスバー１０に流れる電流によって発生する磁界（バスバーを周回する磁界）が感磁面（ホール素子の感磁面）に印加される。感磁素子２０は、バスバー１０の幅方向の中間に位置し、その感磁面は好ましくはバスバー幅方向の略中央に位置して幅方向と略垂直（感磁方向はバスバー１０の幅方向）である。この場合、バスバー電流によって発生する磁界と感磁素子２０の感磁面は略垂直となる。

導体部５１は、バスバー１０に流れる電流によって発生する磁界が印加され、当該磁界の変化に応じた誘導起電力を発生する。導体部５１は、ここでは磁性体３０Ａ,３０Ｂの間の２つの空隙Ｇの一方（ないしその近傍）に位置し、絶縁基板４０上の導体パターンとして形成される。導体部５１のパターン形状は例えば複数周回するスパイラル状その他のコイルパターンである。導体部５１の誘導起電力の立ち上がりは感磁素子２０の出力信号の立ち上がりと比較して早いため、導体部５１を設けることでバスバー１０に流れる電流の変化に対する電流センサ１の応答速度が向上する。

図２は、図１に示す電流センサ１の原理説明図である。本図に示す差動増幅器６０は、実際には絶縁基板４０上に形成される。感磁素子２０は、ここではホール素子単体であって増幅器を含まないものとする。増幅器としての差動増幅器６０は、オペアンプ６１と、抵抗Ｒ１〜Ｒ４とを有する。感磁素子２０の一方の出力端子とオペアンプ６１の出力端子との間に抵抗Ｒ１,Ｒ２が直列接続される。抵抗Ｒ１,Ｒ２の接続点がオペアンプ６１の反転入力端子に接続される。感磁素子２０の他方の出力端子に導体部５１の一端が接続され、導体部５１の他端と接地端子（固定電圧端子）との間に抵抗Ｒ３,Ｒ４が直列接続される。抵抗Ｒ３,Ｒ４の接続点がオペアンプ６１の非反転入力端子に接続される。

図２に示すように、バスバー１０に電流が流れると、磁性体３０Ａ,３０Ｂは互いに逆方向に磁化される。このため、磁性体３０Ａが磁化されたことにより発生する磁界と、磁性体３０Ｂが磁化されたことにより発生する磁界とによって、感磁素子２０に印加される磁界が弱まる。換言すれば、感磁素子２０は、バスバー１０に流れる電流の発生する磁界によって磁化された一方の磁性体３０Ａと他方の磁性体３０Ｂのそれぞれ発生する磁界が互いに弱め合う位置に存在する。

図３は、本実施の形態の電流センサ１の出力信号と比較例（導体部５１が無い場合）の出力信号との比較タイムチャートである。本実施の形態では、感磁素子２０の出力信号と比較して立ち上がりの早い導体部５１の誘導起電力が出力信号に加わるため、導体部５１が無い場合と比較して出力信号の立ち上がり速度（応答速度）が改善している。すなわち、本実施の形態の電流センサ１の出力信号が一定レベルまで上昇する時間ｔ１は、導体部５１が無い場合に出力信号が一定レベルまで上昇する時間ｔ２よりも短くなっている。

本実施の形態によれば、下記の効果を奏することができる。

(1) 導体部５１を磁性体３０Ａ,３０Ｂの間の２つの空隙Ｇの一方（ないしその近傍）に設ける一方、感磁素子２０を磁性体３０Ａ,３０Ｂの間であって空隙Ｇを除く位置に設けているため、感磁素子２０が空隙Ｇ（ないしその近傍）に存在する場合と比較して、空隙Ｇ内とその近傍で導体部５１を自由にレイアウトできる。このため、所望の誘導起電力を発生させることが容易であり、製造時に微妙な応答速度の調整が可能となる。

(2) 感磁素子２０が空隙Ｇ（ないしその近傍）に存在すると感磁素子２０を避けたレイアウトにするために導体部５１の表面積（パターン面積）が大きくなってしまうという問題があるが、本実施の形態では空隙Ｇ内とその近傍で感磁素子２０を避けたレイアウトには縛られないため、同じインダクタンスであれば導体部５１の表面積（パターン面積）を小さくすることができる。

(3) 感磁素子２０の感磁面位置においては、磁性体３０Ａが磁化されたことにより発生する磁界と、磁性体３０Ｂが磁化されたことにより発生する磁界とが互いに打ち消し合う方向となる。すなわち、残留磁界が低減されている範囲に感磁素子２０が配置されることとなり、残留磁界の影響を排除若しくは低減して電流センサ１のゼロアンペア測定精度の向上を図ることができる。

(4) 磁性体３０Ａ，３０Ｂに用いる磁性材料特有の保磁力（ヒステリシス）に関わらず、電流センサ１の検出出力のヒステリシスを低減することが可能なため、廉価な磁性材料で優れた検出出力特性を実現でき、コストダウンに有利である。

(5) ２つのコア（磁性体３０Ａ，３０Ｂ）を対面させる構造のため、コア単体で用いる構造と比較して感磁素子２０へ流れ込む磁界が少なくなるため、より広範囲な電流測定が可能となる。

(6) １個の磁気遮蔽用の磁性体を用いる構造では、広範囲の電流を測定するためには感磁素子へ流れ込む磁束を少なくするために磁気遮蔽用の磁性体の幅方向寸法を大きくする又はバスバー１０と感磁素子２０との間の距離を離さなければならないが、本実施の形態では、磁性体３０Ａ，３０Ｂを対面させることにより感磁素子２０に流れ込む磁束を抑制可能なため、大電流を測定する際にも各磁性体の幅方向寸法やバスバー１０と感磁素子２０との間の距離は小さくて済み、電流センサ１の小型化が可能である。

(7) 磁性体３０Ａ，３０Ｂで囲まれた内側に感磁素子２０を配置しているため、コア単体を用いる従来構造より感磁素子２０へ流れ込む外乱磁界が少なくなり、外乱ノイズ耐性が向上する。

図４は、本発明の実施の形態２に係る電流センサ２の原理説明図である。この電流センサ２は、実施の形態１のものと比較して、磁性体３０Ａ,３０Ｂの間の２つの空隙Ｇの他方（ないしその近傍）に導体部５２を追加で設けた点で相違し、その他の点で一致する。導体部５２は、導体部５１と同様に、絶縁基板４０上に形成された導体パターン（コイルパターン）であり、バスバー１０に流れる電流によって発生する磁界が印加されて当該磁界の変化に応じた誘導起電力を発生する。導体部５２は、抵抗Ｒ３と導体部５１との間に直列に設けられる。本実施の形態では、実施の形態１と比較して大きな誘導起電力を発生でき、１つの導体部だけでは誘導起電力が足りない場合に有利である。

図５は、本発明の実施の形態３に係る電流センサ３の原理説明図である。この電流センサ３は、実施の形態１のものと比較して、導体部５１が差動増幅器６０の出力信号の経路上（オペアンプ６１の出力端子及び抵抗Ｒ２の接続点とセンサ出力端子との間）に設けられている点で相違し、その他の点で一致する。本実施の形態では、差動増幅器６０または感磁素子２０の応答速度が遅くてもセンサ出力信号の立ち上がりを早めることができる。

図６は、本発明の実施の形態４に係る電流センサ４の原理説明図である。この電流センサ４は、実施の形態３のものと比較して、磁性体３０Ａ,３０Ｂの間の２つの空隙Ｇの他方（ないしその近傍）に導体部５２を追加で設けた点で相違し、その他の点で一致する。導体部５２は、導体部５１と同様に、絶縁基板４０上に形成された導体パターン（コイルパターン）であり、バスバー１０に流れる電流によって発生する磁界が印加されて当該磁界の変化に応じた誘導起電力を発生する。導体部５２は、差動増幅器６０の出力信号の経路上（オペアンプ６１の出力端子及び抵抗Ｒ２の接続点とセンサ出力端子との間）に導体部５１と直列に設けられている。本実施の形態では、実施の形態３と比較して大きな誘導起電力を発生でき、１つの導体部だけでは誘導起電力が足りない場合に有利である。

図７は、本発明の実施の形態５に係る電流センサ５の構成を示す概略斜視図である。回路構成は実施の形態１又は３と同様であり、図示及び説明を省略する。この電流センサ５は、実施の形態１のものと比較して、絶縁基板４０は感磁素子２０を磁性体３０Ａ,３０Ｂの間に設けられるものの空隙Ｇ同士を渡す配置ではなく、導体部５１が絶縁基板４０上を除く位置に設けられている点で相違し、その他の点で一致する。導体部５１は、例えば絶縁基板４０から延びる不図示のＦＰＣ（フレキシブルプリント基板）上に形成された導体パターン（コイルパターン）とすることができるが、これには限定されず、位置決め保持された空芯コイルとしてもよい。本実施の形態は、絶縁基板４０の配置が空隙Ｇ同士を渡す配置に限定されない点で設計の自由度が高い。

図８は、本発明の実施の形態６に係る電流センサ６の構成を示す概略斜視図である。回路構成は実施の形態２又は４と同様であり、図示及び説明を省略する。この電流センサ６は、実施の形態５のものと比較して、磁性体３０Ａ,３０Ｂの間の２つの空隙Ｇの他方（ないしその近傍）に導体部５２を追加で設けた点で相違し、その他の点で一致する。導体部５２の形成方法は導体部５１と同様でよい。本実施の形態では、実施の形態５と比較して大きな誘導起電力を発生でき、１つの導体部だけでは誘導起電力が足りない場合に有利である。

以上、実施の形態を例に本発明を説明したが、実施の形態の各構成要素や各処理プロセスには請求項に記載の範囲で種々の変形が可能であることは当業者に理解されるところである。

１〜６ 電流センサ
１０ バスバー
２０ 感磁素子
３０Ａ,３０Ｂ 磁性体
４０ 基板
５１,５２ 導体部
６０ 差動増幅器
６１ オペアンプ

Claims (6)

1. バスバーと、
   ２つの空隙を介して相互に対向する２つの磁性体と、
   前記２つの磁性体の間であって前記空隙を除く位置に設けられ、前記バスバーに流れる電流によって発生する磁界が感磁面に印加される感磁素子と、
   前記感磁素子の出力信号を増幅する増幅器と、
   前記バスバーに流れる電流によって発生する磁界が印加され、当該磁界の変化に応じた誘導起電力を発生する導体部とを備え、
   前記導体部は、前記２つの磁性体の間の前記空隙の双方ないしそれらの近傍にそれぞれ配置され、各導体部の発生する誘導起電力が前記増幅器の入力側に加えられる、電流センサ。
2. バスバーと、
   ２つの空隙を介して相互に対向する２つの磁性体と、
   前記２つの磁性体の間であって前記空隙を除く位置に設けられ、前記バスバーに流れる電流によって発生する磁界が感磁面に印加される感磁素子と、
   前記感磁素子の出力信号を増幅する増幅器と、
   前記バスバーに流れる電流によって発生する磁界が印加され、当該磁界の変化に応じた誘導起電力を発生する導体部とを備え、
   前記導体部は、前記２つの磁性体の間の前記空隙の双方ないしそれらの近傍にそれぞれ配置され、各導体部の発生する誘導起電力が前記増幅器の出力側に加えられる、電流センサ。
3. 前記導体部は、前記バスバーに流れる電流によって発生する磁界が貫通するコイルである、請求項１又は２に記載の電流センサ。
4. 前記感磁素子を搭載する基板を備え、前記基板が前記２つの磁性体の間の前記２つの空隙同士を渡すように配置され、前記導体部が前記基板上のパターンとして形成されている、請求項１から３のいずれか一項に記載の電流センサ。
5. 前記感磁素子を搭載する基板上を除く位置に前記導体部が設けられている請求項１から３のいずれか一項に記載の電流センサ。
6. 前記バスバーに電流が流れたときに、対向する前記２つの磁性体が互いに逆方向に磁化され、
   一方の前記磁性体が磁化されたことにより発生する磁界と、他方の前記磁性体が磁化されたことにより発生する磁界とによって、前記感磁素子に印加される磁界が弱まる位置に前記感磁素子を配置した、請求項１から５のいずれか一項に記載の電流センサ。