JP6598040B2 - 電流検出構造 - Google Patents

Description

本発明は、電流検出構造に関するものである。

従来より、バスバに流れる電流を検出する際に、検出対象となる電流により発生する磁界の強度を磁気検出素子で検出することが行われている。磁気検出素子により磁界の強度を検出することで、その磁界の強度を基に、バスバに流れる電流を演算により求めることが可能になる。

磁気検出素子としては、ＭＲ（Magneto Resistance）センサや、ＧＭＲ（Giant Magneto Resistive effect）センサが知られている。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、特許文献１，２がある。

特許第５１５３４８１号公報 特開２０１３−１７０８７８号公報

ところで、精度の高い測定を行うためには、より感度の高いＧＭＲセンサ等の磁気検出素子を用いることが望まれる。

しかしながら、例えば３相モータの各相に流れる電流を検出する場合など、バスバに大電流が流れる場合には、バスバを流れる電流により形成される磁界の強度が大きすぎるために、感度の高いＧＭＲセンサ等の磁気検出素子を用いることが困難であった。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、バスバに大電流が流れる場合でも感度の高い磁気検出素子を使用可能となり、精度の高い測定が可能な電流検出構造を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、バスバと、該バスバを流れる電流により発生する磁界の強度を測定する磁気検出素子と、を備えた電流検出構造であって、前記バスバは、その一部が、当該バスバの表面から厚さ方向外方に突出させることによって横断面視で凹状に形成されると共に幅方向の中心に対して対称形状に形成された凹部を備え、前記バスバの凹部の底に位置する上壁の厚さは、当該バスバを流れる電流の周波数と当該バスバの材料とから計算される表皮厚以下であり、前記磁気検出素子は、凹状に形成された前記バスバに囲まれた空間に配置されると共に、前記バスバの幅方向の中心に配置されることによって、前記上壁を流れる電流により発生した磁界のみを検出する電流検出構造である。

前記磁気検出素子は、その検出軸が前記バスバの幅方向に沿うように配置されてもよい。

前記磁気検出素子が、ＧＭＲセンサであってもよい。

本発明によれば、バスバに大電流が流れる場合でも感度の高い磁気検出素子を使用可能となり、精度の高い測定が可能な電流検出構造を提供できる。

本発明の一実施形態に係る電流検出構造を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）はその１Ｂ−１Ｂ線断面図である。 本発明の一変形例に係る電流検出構造を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）はその２Ｂ−２Ｂ線断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の一変形例に係る電流検出構造の横断面図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本実施形態に係る電流検出構造を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）はその１Ｂ−１Ｂ線断面図である。

図１（ａ），（ｂ）に示すように、電流検出構造１は、長手方向に沿って電流を流すバスバ２と、バスバ２を流れる電流により発生する磁界の強度を測定する磁気検出素子３と、を備えている。電流検出構造１は、例えば、自動車のインバータに設けられたバスバ２に流れる電流を検出するものである。

バスバ２は、板状の導体であり、電流を流す電流路となるものである。バスバ２を流れる電流は、例えば、定常時で最大２００Ａ程度、異常時等の突入電流で最大８００Ａ程度であり、周波数は、例えば最大１００ｋＨｚ程度である。

磁気検出素子３は、検出軸Ｄに沿った方向の磁界の強度（磁束密度）に応じた電圧の出力信号を出力するように構成されている。本実施形態では、磁気検出素子３として、高い感度を有するＧＭＲセンサを用いる。

さて、本実施形態に係る電流検出構造１では、バスバ２は、その一部が、横断面視で凹状に形成されると共に幅方向の中心に対して対称形状に形成されている。以下、バスバ２の凹状に形成される部分を凹部４と呼称する。

本実施形態では、凹部４は、バスバ２の幅方向の中央部に形成されている。凹部４は、絞り加工により形成される。

凹部４は、横断面視で略反時計回りに９０度回転したコ字状に形成されている。凹部４は、バスバ２の表面から厚さ方向外方（図示上方向）に突出するように形成され、バスバ２の裏面側に開口する中空の直方体状に形成されている。以下、凹部４の長手方向の２つの壁面を前壁５と後壁６、幅方向の２つの壁面を右壁７と左壁８、厚さ方向の壁面すなわち凹部４の底となる壁面を上壁９と呼称する。

磁気検出素子３は、凹状に形成されたバスバ２に囲まれた空間１０に配置されると共に、バスバ２の幅方向（Ｘ軸方向）の中心に配置される。なお、空間１０に磁気検出素子３を配置するということは、磁気検出素子３の少なくとも一部が空間１０内に収容されていることを意味している。

また、磁気検出素子３は、その検出軸Ｄがバスバ２の幅方向（Ｘ軸方向）に沿うように配置されている。なお、磁気検出素子３の検出軸Ｄは、バスバ２の幅方向（Ｘ軸方向）に対して−１０°〜１０°程度傾いてもよい。

図１（ｂ）に示すように、電流検出構造１では、バスバ２を流れる電流は、右壁７（および右壁７よりも幅方向外側のバスバ２）、左壁８（および左壁８よりも幅方向外側のバスバ２）、および上壁９に分かれて流れることになる。

本実施形態では、凹部４を形成する部分において、バスバ２を幅方向の中心に対して対称形状に形成しているため、空間１０内では、右壁７（および右壁７よりも幅方向外側のバスバ２）を流れる電流により発生した磁界（図示Ｂ１）と、左壁８（および左壁８よりも幅方向外側のバスバ２）を流れる電流により発生した磁界（図示Ｂ２）とが互いに相殺し合うようになり、バスバ２の中心では磁界の強度が０になる。そのため、磁気検出素子３を、バスバ２の幅方向の中心に配置する（バスバ２の幅方向における磁気検出素子３の中心がバスバ２の幅方向の中心と重なる位置に配置する）ことで、空間１０の左右（幅方向の両側）で発生した磁界を磁気検出素子３で検出しないようにすることができる。

その結果、磁気検出素子３では、上壁９を流れる電流により発生した磁界（図示Ｂ３）のみを検出することになる。上壁９を流れる電流はバスバ２を流れる電流のうち一部であるから、バスバ２を流れる電流が大きい場合であっても、磁気検出素子３で検出する磁界を小さくすることが可能になる。

磁気検出素子３で検出する磁界の大きさは、上壁９の幅（右壁７・左壁８の高さと上壁９の幅の割合）や断面積を変化させることで上壁９に流れる電流の割合を調整したり、磁気検出素子３の上壁９からの距離を調整することで調整可能である。つまり、電流検出構造１では、磁気検出素子３が検出する磁界の強度を、磁気検出素子３の感度にあわせて最適な強度に調整することが可能である。

磁気検出素子３としてＧＭＲセンサを用いる場合、磁気検出素子３は、検出する磁界（３本のバスバ２で発生する磁界を合成した磁界）の磁束密度が０より大きく５ｍＴ以下となる位置に配置されることが望ましい。これは、一般的なＧＭＲセンサでは、５ｍＴを超える磁束密度のもとでは出力が飽和してしまい、測定が困難となってしまうためである。なお、ここでいう磁束密度の大きさとは定常状態におけるものであり、異常時や過渡状態において一時的に５ｍＴを超えてしまうような場合は除外するものとする。

また、ＧＭＲセンサでは、精度良く磁束密度を検出可能な領域（磁束密度と出力電圧が容易に線形補正できる領域）が通常２ｍＴ以下であるため、より好ましくは、検出する磁界の磁束密度（定常状態における磁束密度）が０より大きく２ｍＴ以下となる位置に磁気検出素子３を配置することが望ましい。

凹部４の長手方向の端部の近傍では前壁５や後壁６を流れる電流による発生する磁界が誤差の原因となるため、この前壁５や後壁６で発生する磁界の影響を受けない程度に、凹部４の長手方向の端部から離れた位置に磁気検出素子３を配置することが望ましく、バスバ２の長手方向における凹部４の中央部に磁気検出素子３を配置することが好ましい。凹部４の長さは、バスバ２を流れる電流の大きさ等を考慮し、前壁５や後壁６で発生する磁界の影響を受けない位置に磁気検出素子３を配置可能な長さとすればよい。

また、上壁９の厚さは、バスバ２を流れる電流の周波数を考慮して表皮効果の影響を抑制できる厚さにすることが好ましい。バスバ２として銅または銅合金を用いる場合、周波数１００ｋＨｚでの表皮厚は０．２ｍｍ程度となるので、上壁９の厚さは０．５ｍｍ以下、より好ましくは０．２ｍｍ以下とすることが望ましい。なお、周波数１０ｋＨｚでの表皮厚は１ｍｍ程度となるので、この場合、上壁９の厚さは２ｍｍ以下、より好ましくは１ｍｍ以下とすることが望ましい。

本実施形態では、凹部４を、バスバ２の幅方向の中央部に、絞り加工により形成したが、これに限らず、図２（ａ），（ｂ）に示すように、バスバ２の幅方向の両側部を折り曲げて凹部４を形成するようにしてもよい。この場合、バスバ２全体が凹部４となる。図２（ａ），（ｂ）では、一例としてバスバ２の長手方向の全体において幅方向の両側を折り曲げる場合を示しているが、バスバ２の長手方向の一部のみにおいて幅方向の両側を折り曲げるようにしても構わない。図２（ａ），（ｂ）のように、バスバ２の幅方向の両側部を折り曲げて凹部４を形成する場合、絞り加工と比較して比較的容易に凹部４を形成可能であり、製造コストを低減できるという利点がある。

また、本実施形態では、凹部４を横断面視で略反時計回りに９０度回転したコ字状に形成したが、凹部４の形状はこれに限定されるものではなく、例えば、図３（ａ）に示すように、凹部４を、横断面視で開口に向かって徐々に側壁（右壁７および左壁８）が拡がる台形状としてもよい。また、図３（ｂ）に示すように、凹部４を横断面視で三角形状としてもよいし、図３（ｃ）に示すように、凹部４を横断面視で円弧状（半円弧状）に形成してもよい。

凹部４を、横断面視で開口に向かって徐々に側壁（右壁７および左壁８）が拡がる形状とすることで、磁気検出素子３とバスバ２の表面が近くなるので、表皮効果による影響を抑えて周波数依存性を低減することが可能になる。

以上説明したように、本実施形態に係る電流検出構造１では、バスバ２は、その一部が、横断面視で凹状に形成されると共に幅方向の中心に対して対称形状に形成され、磁気検出素子３は、凹状に形成されたバスバ２に囲まれた空間１０に配置されると共に、バスバ２の幅方向の中心に配置されている。

このように構成することで、凹部４の上壁９を流れる電流により発生した磁界の強度のみを磁気検出素子３で検出することが可能になり、バスバ２に大電流が流れる場合であっても、磁気検出素子３で検出する磁界を小さくすることが可能になる。つまり、電流検出構造１によれば、バスバ２に大電流が流れる場合でも感度の高いＧＭＲセンサ等の磁気検出素子３を使用可能となり、精度の高い測定が可能になる。

また、電流検出構造１では、凹部４内の空間１０に磁気検出素子３を配置するため、磁気検出素子３がバスバ２に覆われるかたちとなり、バスバ２がシールドの役割を果たすこととなり、磁気検出素子３への外部ノイズの影響を抑制し、より精度の高い検出が可能となる。

また、ＧＭＲセンサでは、内部にバイアスコイルを有し検出軸Ｄと垂直方向に常時磁界をかけた状態として出力を安定させるものが知られている。本実施形態においては、バイアスコイルがかける磁界の方向はＹ軸方向となるが、このＹ軸方向に大きな磁界がかかると、バイアスコイルがかける磁界が相殺されるなどして、出力が安定しなくなる場合がある。本実施形態では、Ｙ軸方向の磁界、すなわち、右壁７（および右壁７よりも幅方向外側のバスバ２）を流れる電流により発生した磁界と、左壁８（および左壁８よりも幅方向外側のバスバ２）を流れる電流により発生した磁界とが互いに相殺し合うため、バイアスコイルの磁界に影響を与えることがなく、ＧＭＲセンサの出力を安定させ高精度な検出が可能となる。

また、電流検出構造１では、凹部４内の空間１０に磁気検出素子３を配置しているため、検出部（磁気検出素子３を配置する部分）を小型化することが可能である。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

１ 電流検出構造
２ バスバ
３ 磁気検出素子
４ 凹部
５ 前壁
６ 後壁
７ 右壁
８ 左壁
９ 上壁
１０ 空間

Claims (3)

1. 長手方向に沿って電流を流す板状のバスバと、該バスバを流れる電流により発生する磁界の強度を測定する磁気検出素子と、を備えた電流検出構造であって、
   前記バスバは、その一部が、当該バスバの表面から厚さ方向外方に突出し、且つ前記バスバの裏面側に開口する中空の直方体状に形成されると共に、前記バスバの幅方向の中心に対して対称形状に形成された凹部を備え、
   前記バスバの凹部の底に位置する上壁の厚さは、当該バスバを流れる電流の周波数と当該バスバの材料とから計算される表皮厚以下であり、
   前記磁気検出素子は、前記バスバに囲まれた前記凹部内の空間に配置されると共に、前記バスバの幅方向の中心に配置されることによって、前記上壁を流れる電流により発生した磁界のみを検出する
   ことを特徴とする電流検出構造。
2. 前記磁気検出素子は、その検出軸が前記バスバの幅方向に沿うように配置される
   請求項１記載の電流検出構造。
3. 前記磁気検出素子が、ＧＭＲセンサである
   請求項１または２記載の電流検出構造。

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