JP2007114115A - 電流センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コストを低減でき、且つ、誤差出力を低減することができる電流センサ装置を提供すること。
【解決手段】被検出電流の流れる導電部材１１０と、被検出電流を検出する電流センサ１２０とを備える電流センサユニット１００であって、電流センサ１２０は、２つのホール素子１２１，１２２を有し、各ホール素子１２１，１２２は、被検出電流が流れることに起因して生じる同一方向の磁気ベクトルを、各素子１２１，１２２ごとに異なる大きさで検出するように導電部材１１０に対して位置決めされており、各ホール素子１２１，１２２の出力の差分値に基づいて、被検出電流を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、被検出電流の流れる被検出体と、被検出電流を検出する磁電変換部とを備える電流センサ装置に関する。

従来、例えば特許文献１に示されるように、被検出電流の流れる被検出体と、被検出電流を検出する磁電変換部とを備える電流センサ装置が知られている。

特許文献１に示される電流センサ装置は、磁気センサ（磁電変換部）の上面に、磁束を収束する軟磁性材料の磁気収束板を載置するととともに、上面の磁気収束板の両端部に対応する位置にホール素子（磁電変換素子）を配置してなるものである。

この構成において、測定用導体（被検出体）に電流（被検出電流）が流れると、電流により生じる磁界の磁束が磁気収束板により収束されて、磁気収束板の端部（すなわちホール素子の領域）では、電流による磁束の垂直方向成分が生じる。この垂直方向成分は、それぞれのホール素子の領域において逆向きであり、各素子からの出力の差分をとることにより、電流値に比例した電圧信号を得つつ、外乱磁界の影響をキャンセルするようにしている。
特開平８−２６２０６３号公報

しかしながら、特許文献１に示される電流センサ装置の場合、磁気収束板の構成材料として、磁気ヒステリシスの少ないパーマロイ等の軟磁性材料を使用しなければならないため、コストが増加するという問題がある。

また、磁気ヒステリシスを完全にゼロにすることは困難であり、少ないヒステリシスであっても、低電流検出においては大きな誤差出力となる。

本発明は上記問題点に鑑み、コストを低減でき、且つ、誤差出力を低減することができる電流センサ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する為に請求項１記載の発明は、被検出電流の流れる被検出体と、被検出電流を検出する磁電変換部とを備える電流センサ装置であって、磁電変換部は、少なくとも２つの磁電変換素子からなり、磁電変換素子は、被検出電流が流れることに起因して生じる同一方向の磁気ベクトルを、各素子ごとに異なる大きさで検出するように被検出体に対して位置決めされており、各磁電変換素子の出力の差分値に基づいて、被検出電流を検出することを特徴とする。

このように本発明によると、従来のように磁気収束板を必要としないので、コストを低減することができる。また、少なくとも２つの磁電変換素子の出力の差分をとることで、外乱磁場の影響をキャンセルすることができる。すなわち、誤差出力を従来よりも低減することができる。

上記構成においては、請求項２に記載のように、磁電変換素子が、同一の基板にそれぞれ形成された構成を採用しても良いし、請求項３に記載のように、同一の基板にそれぞれ実装された構成を採用しても良い。前者のほうが簡素な構成（部品点数が少ない）であり、センサ装置の体格を小型化しやすい。

尚、請求項４に記載のように、磁電変換素子としては、ホール素子又は磁気抵抗効果素子を採用することができる。

以下に、被検出電流が流れることに起因して生じる同一方向の磁気ベクトルを、各素子ごとに異なる大きさで検出するための、被検出体と磁電変換素子の構成例を示す。

被検出体が１本の導電部材からなる場合、請求項５に記載のように、磁電変換素子と導電部材との距離が各素子ごとに異なるように、導電部材に対して各磁電変換素子を位置決めした構成を採用しても良い。また、請求項６に記載のように、電流密度によって複数の領域に区画された１本の導電部材を採用し、１つの磁電変換素子を１つの領域に対応付けて位置決めした構成を採用しても良い。いずれも場合も、導電部材が１本で良いので構成を簡素化することができる。尚、請求項６の発明においては、例えば請求項７に記載のように、複数の領域を断面積が互いに異なる構成とすることで、互いに電流密度が異なる構成とすることができる。

被検出体が複数本の導電部材からなる場合、請求項８に記載のように、磁電変換素子と導電部材との距離、及び、導電部材の電流密度のいずれか一方を調整することで、各磁電変換素子が同一方向の磁気ベクトルを、各素子ごとに異なる大きさで検出するようにした構成を採用することができる。具体的には、請求項９に記載のように、少なくとも１本の導電部材の断面積が、他の導電部材の断面積とは異なる構成を採用することができる。また、請求項１０に記載のように、少なくとも１つの磁電変換素子を、２本の導電部材の間の対向領域に位置決め配置した構成を採用することもできる。例えば請求項１１に記載のように、被検出電流の流れる方向が同一であり、電流密度が互いに異なる２本の導電部材によって、磁気ベクトルの大きさを調整することができる。尚、被検出電流の流れる方向が逆向きの２本の導電部材によって、磁気ベクトルの大きさを調整することも可能である。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電流センサユニットの概略構成を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は磁電変換素子側から見た平面図である。図１（ｂ）においては、便宜上、基板を省略して図示している。

図１に示すように、電流センサユニット１００は、導電部材１１０と電流センサ１２０を含む。尚、電流センサユニット１００が特許請求の範囲に示す電流センサ装置に、導電部材１１０が特許請求の範囲に示す被検出体に、電流センサ１２０が特許請求の範囲に示す磁電変換部に相当する。

導電部材１１０は、導電性材料からなり、被検出電流が流れる部材（例えば車両のバッテリに接続された電源供給用、或いは、アース接続用のバスバ）である。本実施形態に係る導電部材１１０は、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、電流密度によって複数の領域１１０ａ，１１０ｂに区画された１本の棒状（板状）部材として構成されている。また、図１（ｂ）に示す符号１１０ａに示す領域が、断面積の小さい（幅の狭い）領域であり、符号１１０ｂに示す領域が、領域１１０ａよりも断面積の大きい（幅の広い）領域である。すなわち、被検出電流が流れた際の電流密度は、領域１１０ａが領域１１０ｂよりも大きくなるように構成されている。

このように、１本の導電部材１１０において、電流密度の異なる複数の領域１１０ａ，１１０ｂを構成するには、導電部材１１０の構成材料を部分的に異なるものとすることによっても可能である。

電流センサ１２０は、導電部材１１０に流れる被検出電流によって生じる磁界の磁束を検出し、電流値に比例した信号を出力する磁電変換素子を少なくとも２つ含むものである。本実施形態においては、磁電変換素子として同一構成の２つのホール素子１２１，１２２を採用しており、各ホール素子１２１，１２２の形成されたチップが処理回路等の形成されたプリント基板１２３上に実装されて、電流センサ１２０が構成されている。

尚、磁電変換素子としては、ホール素子１２１，１２２に限定されるものではなく、それ以外にも例えば磁気抵抗効果素子を採用することができる。

そして、図１（ａ）に示すように、電流センサ１２０を構成するプリント基板１２３のホール素子実装面の裏面側に離間して、導電部材１１０を略平行に配置した状態で、図１（ｂ）に示すように、一方のホール素子１２１が電流密度の大きい領域１１０ａの上方に配置され、他方のホール素子１２２が電流密度の小さい領域１１０ｂ上に配置されるように、各要素（導電部材１１０及び電流センサ１２０）が構成され、位置決め配置されている。尚、本実施形態においては、上記位置決め状態で、導電部材１１０の領域１１１とホール素子１２１との対向距離と、導電部材１１０の領域１１２とホール素子１２２との対向距離が、略等しい状態となっている。

このように構成される電流センサユニット１００において、導電部材１１０に被検出電流が例えば図１（ａ），（ｂ）に一点鎖線で示す矢印方向に流れると、図１（ｂ）に示すように、プリント基板１２３に平行で、且つ、同一方向の磁気ベクトル（図１（ｂ）中の実線矢印）が各ホール素子１２１，１２２に付与される。各磁気ベクトルの大きさは、導電部材１００の各領域１１０ａ，１１０ｂの断面積に応じて異なっており、各ホール素子１２１，１２２の出力電圧の差分をとる（減算する）ことにより、導電部材１１０に流れる被検出電流を検出することができる。

このように本実施形態に係る電流センサユニット１００によると、従来のように磁気収束板を必要としないので、コストを低減することができる。また、差分をとるので、各ホール素子１２１，１２２に作用する同一方向で同じ大きさを有する外乱磁界の影響がキャンセル（相殺）され、外乱磁界による誤差出力を従来よりも低減することができる。すなわち、導電部材１１０に被検出電流が流れることに起因した磁界成分を精度良く検出することができる。

また、被検出体としての導電部材１１０を１本のみ用いるので、構成を簡素化することができる。

尚、本実施形態においては、ホール素子１２１，１２２を有する各チップが、プリント基板１２３に実装される例を示した。しかしながら、図２に示すように、ホール素子１２１，１２２が、同一の半導体基板１２４に集積化された構成を採用することもできる。この場合、各チップをプリント基板１２３に実装してなる構成に比べて簡素である（部品点数が少ない）ので、ユニット１００の体格を小型化しやすい。また、集積化した構成の場合、プリント基板１２３を有さない構成とすることもできる。

また、本実施形態においては、導電部材１１０がプリント基板１２３の裏面側に、離間して配置される例を示した。しかしながら、ホール素子実装面側に配置した構成を採用することもできる。また、プリント基板１２３の裏面に対して接触配置した構成を採用することもできる。ただし、接触配置させる場合には、プリント基板１２３に形成された回路部及び実装された電子部品と導電部材１１０との電気的な絶縁状態を確保する必要がある。

また、プリント基板１２３上にホール素子１２１，１２２を実装（ホール素子１２１，１２２を有する半導体基板１２４を実装）する構成においては、図２に示すように、実装面の裏面に配線部１２５を形成し、この配線部１２５を導電部材１１０の少なくとも一部とした構成を採用することもできる。図２は、変形例を示す断面図である。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態を、図３に基づいて説明する。図３は、本実施形態に係る電流センサユニット１００の概略構成を示す断面図である。

第２の実施形態に係る電流センサユニット１００は、第１の実施形態によるものと共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。

本実施形態おいて、導電部材１１０は、第１の実施形態に示した態様のものとは異なり、電流密度に偏りがない構成となっている。そして、図３に示すように、ホール素子１２１，１２２と導電部材１１０との対向距離が、各素子１２１，１２２ごとに異なるように、導電部材１１０に対して各ホール素子１２１，１２２を位置決めした構成となっている。それ以外の構成については第１の実施形態と同様である。尚、図３に示すように、導電部材１１０をプリント基板１２３の裏面に接触配置させているが、この態様に限定されるものではない。

このように構成される電流センサユニット１００において、導電部材１１０に被検出電流が例えば図３に示す方向（紙面奥から手前）に流れると、図３に示すように、プリント基板１２３に平行で、且つ、同一方向の磁気ベクトル（図３中の実線矢印）が各ホール素子１２１，１２２に付与される。このとき、各磁気ベクトルの大きさは、導電部材１１０との距離に応じて異なっているので、各ホール素子１２１，１２２の出力電圧の差分をとる（減算する）ことにより、導電部材１１０に流れる被検出電流を検出することができる。

このように、本実施形態に係る電流センサユニット１００によっても、磁気収束板を必要としないので、コストを低減することができる。また、差分をとるので、外乱磁界による誤差出力を従来よりも低減することができる。すなわち、導電部材１１０に被検出電流が流れることに起因した磁界成分を精度良く検出することができる。

また、被検出体としての導電部材１１０を１本のみ用い、第１の実施形態に示すように導電部材１１０に断面積の異なる領域１１０ａ，１１０ｂを設けなくとも良いので、構成をより簡素化することができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態を、図４に基づいて説明する。図４は、本実施形態に係る電流センサユニット１００の概略構成を示す断面図である。

第３の実施形態に係る電流センサユニット１００は、第１，２の実施形態によるものと共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。

本実施形態においては、複数本の導電部材を被検出体として採用し、磁電変換素子と導電部材との対向距離、及び、導電部材の電流密度のいずれか一方を調整することで、磁電変換素子が同一方向の磁気ベクトルを、異なる大きさで検出するよう構成した点を特徴とする。

具体的には、図４に示すように、プリント基板１２３のホール素子実装面の裏面側に、同一の構成材料からなり、同一方向に被検出電流が流れる２本の導電部材１１１，１１２が位置決め配置されている。そして、この位置決め状態で、断面積の大きい導電部材１１１の上方に一方のホール素子１２１が配置され、導電部材１１１よりも断面積の小さい導電部材１１２の上方に他方のホール素子１２２が配置されており、導電部材１１１とホール素子１２１との対向距離と、導電部材１１２とホール素子１２２との対向距離が略等しい状態となっている。

このように構成される電流センサユニット１００において、導電部材１１１，１１２に被検出電流が例えば図４に示す方向（紙面奥から手前）に流れると、図４に示すように、プリント基板１２３に平行で、且つ、同一方向の磁気ベクトル（図４中の実線矢印）が各ホール素子１２１，１２２に付与される。このとき、各磁気ベクトルの大きさは、導電部材１１１，１１２の断面積に応じて異なっているので、各ホール素子１２１，１２２の出力電圧の差分をとる（減算する）ことにより、導電部材１１１，１１２に流れる被検出電流を検出することができる。

このように、本実施形態に係る電流センサユニット１００によっても、磁気収束板を必要としないので、コストを低減することができる。また、差分をとるので、外乱磁界による誤差出力を従来よりも低減することができる。すなわち、導電部材１１１，１１２に被検出電流が流れることに起因した磁界成分を精度良く検出することができる。

尚、本実施形態においては、被検出体を構成する２本の導電部材１１１，１１２の断面積をそれぞれ異なるものとすることで、２つのホール素子１２１，１２２が、被検出電流が流れることに起因して生じる同一方向の磁気ベクトルを、異なる大きさで検出する構成となっている。しかしながら、それ以外にも２本の導電部材１１１，１１２の構成材料を異なるものとしても同様の効果を得ることができる。また、図５に示すように、２本の導電部材１１３，１１４と、対応するホール素子１２１，１２２との対向距離を異なるものとしても良い。図５は変形例を示す断面図である。尚、図５においては、同一の材料からなる同一形状の２本の導電部材１１３，１１４を採用している。さらには、２本の導電部材１１２，１１３の電流密度、及び、対応するホール素子１２１，１２２との対向距離の両方を調整した構成を採用しても良い。

（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態を、図６に基づいて説明する。図６は、本実施形態に係る電流センサユニット１００の概略構成を示す断面図である。

第４の実施形態に係る電流センサユニット１００は、第３の実施形態によるものと共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。

本実施形態においては、少なくとも１つの磁電変換素子を、２本の導電部材の間の対向領域に位置決め配置することで、各磁電変換素子が同一方向の磁気ベクトルを、異なる大きさで検出するよう構成した点を特徴とする。

具体的には、図６に示すように、被検出体として、同一の材料からなり、被検出電流が同一方向に流れる３本の導電部材１１５〜１１７を採用している。導電部材１１５，１１６の電流密度は略同一であり、ともにプリント基板１２３の裏面側に配置されている。また、導電部材１１７の電流密度は他よりも小さなものとなっており、プリント基板１２３のホール素子実装面側に配置されている。本実施形態において、各導電部材１１５〜１１７は断面積によって電流密度が調整されている。

そして、同一構成の２つのホール素子１２１，１２２のうち、一方のホール素子１２１が、プリント基板１２３を挟んで導電部材１１５の上方に配置され、他方のホール素子１２２が２本の導電部材１１６，１１７の間の対向領域に配置された状態となっている。尚、導電部材１１５とホール素子１２１との対向距離と、導電部材１１６とホール素子１２２との対向距離が略等しい状態となっている。

このように構成される電流センサユニット１００において、導電部材１１５〜１１７に被検出電流が例えば図６に示す方向（紙面奥から手前）に流れると、図６に示すように、プリント基板１２３に平行で、且つ、同一方向の磁気ベクトル（図６中の実線矢印）が各ホール素子１２１，１２２に付与される。ここで、ホール素子１２２には、導電部材１１６，１１７に流れる被検出電流に起因して生じる磁気ベクトル（図６中の二点鎖線矢印）の合成ベクトル（図６中の二点鎖線矢印間の実線矢印）が付与される。従って、各磁気ベクトル（図６中の実線矢印）の大きさは異なっているので、各ホール素子１２１，１２２の出力電圧の差分をとる（減算する）ことにより、導電部材１１１，１１２に流れる被検出電流を検出することができる。

このように、本実施形態に係る電流センサユニット１００によっても、磁気収束板を必要としないので、コストを低減することができる。また、差分をとるので、外乱磁界による誤差出力を従来よりも低減することができる。すなわち、導電部材１１５〜１１７に被検出電流が流れることに起因した磁界成分を精度良く検出することができる。

尚、本実施形態においては、同一方向に被検出電流が流れる２本の導電部材１１６，１１７の間の対向領域にホール素子１２２を配置する例を示した。しかしながら、図７に示すように、異なる（逆の）方向に被検出電流が流れる２本の導電部材１１６，１１８の間の対向領域にホール素子１２２を配置するようにしても、上記と同様の効果を得ることができる。尚、図７は変形例を示す断面図であり、導電部材１１８には紙面の手前から奥側に被検出電流が流れる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。

本実施形態においては、電流センサユニット１００が、磁電変換素子として２つのホール素子１２１，１２２を含む例を示した。しかしながら、磁電変換素子の個数は上記例に限定されるものではない。必要に応じて３つ以上含んでも良い。

また、本実施形態においては、電流センサユニット１００が、被検出体としての導電部材を１〜３本含む例を示した。しかしながら、導電部材の本数は上記例に限定されるものではない。必要に応じて４本以上含んでも良い。

本発明の第１の実施形態に係る電流センサユニットの概略構成を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は磁電変換素子側から見た平面図である。 変形例を示す断面図である。 第２の実施形態に係る電流センサユニットの概略構成を示す断面図である。 第３の実施形態に係る電流センサユニットの概略構成を示す断面図である。 変形例を示す断面図である。 第４の実施形態に係る電流センサユニットの概略構成を示す断面図である。 変形例を示す断面図である。

符号の説明

１００・・・電流センサユニット（電流センサ装置）
１１０〜１１８・・・導電部材（被検出体）
１２０・・・電流センサ（磁電変換部）
１２０，１２１・・・ホール素子（磁電変換素子）
１２３・・・プリント基板

Claims (11)

1. 被検出電流の流れる被検出体と、前記被検出電流を検出する磁電変換部とを備える電流センサ装置であって、
   前記磁電変換部は、少なくとも２つの磁電変換素子からなり、
   前記磁電変換素子は、前記被検出電流が流れることに起因して生じる同一方向の磁気ベクトルを、各素子ごとに異なる大きさで検出するように前記被検出体に対して位置決めされており、
   各磁電変換素子の出力の差分値に基づいて、前記被検出電流を検出することを特徴とする電流センサ装置。
2. 前記磁電変換素子は、同一の基板にそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ装置。
3. 前記磁電変換素子は、同一の基板にそれぞれ実装されていることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ装置。
4. 前記磁電変換素子は、ホール素子又は磁気抵抗効果素子であることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載の電流センサ装置。
5. 前記被検出体は１本の導電部材からなり、
   前記磁電変換素子は、前記導電部材との距離が各素子ごとに異なることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載の電流センサ装置。
6. 前記被検出体は１本の導電部材からなり、
   前記導電部材は電流密度によって複数の領域に区画され、
   前記磁電変換素子は、各領域に対応して位置決めされていることを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載の電流センサ装置。
7. 複数の前記領域は、断面積が互いに異なることを特徴とする請求項６に記載の電流センサ装置。
8. 前記被検出体は複数本の導電部材からなり、
   前記磁電変換素子と前記導電部材との距離、及び、前記導電部材の電流密度のいずれか一方が調整されて、各磁電変換素子が同一方向の磁気ベクトルを、各素子ごとに異なる大きさで検出するように構成されていることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載の電流センサ装置。
9. 少なくとも１本の前記導電部材は、その断面積が他の前記導電部材の断面積とは異なることを特徴とする請求項８に記載の電流センサ装置。
10. 少なくとも１つの前記磁電変換素子は、２本の導電部材の間の対向領域に位置決めされていることを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の電流センサ装置。
11. ２本の前記導電部材は、前記被検出電流の流れる方向が略同一であり、電流密度が互いに異なることを特徴とする請求項１０に記載の電流センサ装置。

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